Сокровищница XXI века - Владислав Иванович Кузнецов

Когда к подозрительному скелету пригляделись повнимательнее, выяснилось — скелет специально обработан, чтобы ввести в заблуждение археологов.

Радиоуглеродный метод внес большой вклад в разработку ранней истории человечества и зависимости ее от климатических изменений. Установлены даты многих интересных событий: вулканических извержений, исчезновения многих древнейших животных, таких, как мастодонт или гигантский ленивец.

Для временных масштабов, соизмеримых с возрастом нашей планеты, для датировки геологических эпох нужны часы, стрелки которых могли бы отсчитывать миллионы и миллиарды лет.

ЯДЕРНОЕ ВРЕМЯ

Человек живет на Земле уже около 500 тысяч лет. Органическая жизнь возникла на нашей планете примерно миллиард лет назад. Ископаемых животных и ископаемые растения изучают палеонтологи. Они восстанавливают последовательность событий, последовательность развития жизни по чередованию пластов земной коры. Скелеты и отпечатки древних организмов на камнях рассказывают им об эволюции жизненных форм. Однако по земным пластам узнать абсолютное время событий весьма сложно, хотя примерные оценки иногда и удается сделать. Еще труднее определить возраст горных пород. Нужны часы с гораздо большим запасом хода, чем радиоуглеродные.

Медленно, каплями, сочится вода из отверстия в дне золоченой чаши и наполняет другой сосуд с горизонтальными полосами-метками. Вот вода достигла верхней черты. Отсчитана еще одна единица времени.

Так, по скорости истечения воды определяли время в Древнем Египте и других странах: Вавилоне, Греции.

Почти так же, как водяные часы — древние клепсидры, действуют и радиоактивные часы, основанные на распаде изотопов нестабильных элементов. В радиоактивных часах атомы одного химического элемента «перетекают» в атомы другого. Только чаша клепсидры опорожняется за время, измеряемое часами, а «материнские» атомы урана-238, тория-232, рубидия-87, калия-40 стекают по желобу ядерных превращений за многие миллиарды лет. Чем больше атомов исходного материнского изотопа перешло в дочерний, тем более длительное время происходил распад.

Природный уран в незначительных концентрациях содержится во многих минералах. Уран-238 за 4,5 миллиарда лет наполовину переходит в свинец. Если из минерала выделить уран и свинец, то по их отношению можно узнать время, когда образовался минерал. Конечно, при этом нужно быть уверенным, что система была замкнутой: с момента образования минерала уран из него не вымывался и не поступал из каких-то внешних источников. То же самое относится и к свинцу.

На деле все обстоит еще сложнее. Ведь земной свинец образовался не только в результате распада урана или тория. Кроме такого, как говорят физики, радиогенного, в земной коре содержится и свинец, ядра которого, как и ядра других элементов, родились в ядерных реакциях, протекавших во времена синтеза элементов Солнечной системы. Самая сложная проблема датировки минералов ураново-свинцовым методом и заключается з определении доли первозданного свинца в урановой руде, с тем чтобы учесть его при определении возраста руды.

Остановимся несколько подробнее на процессе распада изотопов природного урана. У каждого из них своя сложная цепь радиоактивных превращений. Атомные ядра этих цепей испытывают два вида радиоактивного распада: альфа-распад, о котором мы уже говорили, и бета-распад.

На первом этапе уран-238 становится радиоактивным торием, затем легким изотопом урана... В конечном итоге, испытав за 4,5 миллиарда лет свыше десятка превращений, половина урановых ядер переходит в стабильный свинец-206. Уран-235 по другой цепи превращений, в свою очередь, становится изотопом свинец-207. На каждое превращение урана-238 в свинец рождается восемь альфа-частиц, а на каждое превращение урана-235 в свинец — семь. Альфа-частицы тормозятся в веществе и становятся атомами гелия.

На заре развития ядерной физики, в 1907 году, американский ученый Болтвуд, работавший в то время в английском городе Манчестере под руководством Эрнеста Резерфорда, предложил определять время рождения минералов, в состав которых входит уран, по содержанию в них гелия.

Еще в 1904 году Резерфорд писал: «Рассмотрим ради примера очень плотный минерал, в котором гелий непрерывно образуется из радия, но не может просочиться наружу. Содержание гелия в минерале со временем постепенно увеличивается, и общее его количество должно быть пропорционально возрасту минерала и содержанию в нем радия. Если скорость образования гелия из радия равна указанной величине, то можно подсчитать достаточно точно, что минерал торианит имеет возраст, по крайней мере, 500 миллионов лет, что равно времени, прошедшему с момента формирования данного минерала в земной коре. Это минимальная оценка, так как, вероятно, некоторое количество гелия с течением времени выделилось из минерала. Подобные же результаты были получены при исследовании других радиоактивных минералов... Я уверен, что когда константы, используемые в этих расчетах, будут точно определены, то этот метод окажется наилучшим методом точного определения возраста радиоактивных минералов». В 1904 году еще не были достаточно полно изучены цепи радиоактивных превращений урана. Поэтому Резерфорд говорит о радии. Количество радия пропорционально урану, содержащемуся в минерале. Правильнее учитывать альфа-частицы, рождающиеся во всех звеньях цепи распада уран— свинец.

Уже в те времена было доказано, что при любых возможных на Земле условиях — температуре, давлении, в любых химических соединениях строго поддерживается постоянная скорость радиоактивного распада. Поэтому чем больше в минерале на единицу массы урана приходится гелия, тем он старше. Из килограмма урана за 4,5 миллиарда лет выделяется 60 граммов гелия. Возраст слоев земной коры, если они сложены из очень плотных пород, удерживающих гелий, можно определить этим методом.

Засевшие в кристаллической решетке минерала атомы гелия извлекают, предварительно раздробив породу. Мельчайшие частицы поступают в химическую переработку— вещество растворяют в кислотах и раствор кипятят. Гелий постепенно выделяется из нагреваемого раствора и его собирают. Извлекают из раствора и уран. Количества гелия и урана — исходные данные для расчета возраста горных пород.

Палеонтологи, определив по ядерным часам даты отложения земных пластов, добывают сведения о периодах обитания доисторических животных — причудливых чудовищ, населявших Землю миллионы лет назад. Датируются, как правило, не останки самих ископаемых животных, а окружающие отложения продуктов жизненной среды, в которой они обитали. Поэтому ядерно-физические и геологические исследования идут рука об руку.

Удается определить периоды обитания таких ископаемых, как арсинитериум или птеродактиль, населявших Землю соответственно 40 и 180 миллионов лет назад. Задача решается, как правило, другими средствами — во многих случаях гелиевый метод ненадежен. За многие миллионы лет, которые минерал пролежал в земном пласте, часть солнечного газа из него улетучится. Учесть утечку практически невозможно. Тем более что за гелием прочно удерживается слава самого необычного, самого текучего и проникающего газа.

Не всегда пригоден и уран-свинцовый метод. Нелегко бывает узнать долю свинца радиогенного