Атомы и электроны

Бронштейн Матвей Петрович

Наконец, ещё одно важное заключение вытекает из вычисленной продолжительности жизни урана. Рассмотрим обыкновенный кусок урановой смоляной руды, количество урана в которой составляет 50 % веса всей руды.

Спросим себя: как долго мог этот кусок руды пролежать в Земле? Даже если бы он первоначально состоял из одного лишь чистого урана, он не мог бы лежать в Земле больше четырёх с половиной или пяти миллиардов лет, потому что в этом случае больше половины его перестало бы быть ураном и превратилось бы в другие химические элементы. Отсюда следует, что возраст куска урановой руды, в которой содержание урана достигает 50 %, не может быть больше пяти миллиардов лет.

Это простое и ясное заключение указывает на то, какие неожиданные

применения может иметь наука о радиоактивности. Радиоактивные явления дают нам как бы своеобразные часы, с помощью которых мы можем измерять продолжительность протёкших огромных геологических эпох.

Вопрос о времени всегда был одним из наиболее болезненных вопросов геологии. Наблюдая различные пласты земной коры, геолог более или менее уверенно говорит о той последовательности, в которой различные геологические эпохи сменяли друг друга, но он большей частью становится в тупик, когда ему предлагают определить продолжительность этих эпох. Иногда он пытается делать примерные оценки сроков, исходя из того, что он приблизительно представляет себе, с какой скоростью могли бы откладываться те или иные наносы, но эти оценки всегда бывают очень гадательны. Отложения, выпадающие из воды каких-нибудь рек и т. п., нарастают с различной скоростью, в зависимости от быстроты течения, рельефа дна и других обстоятельств, и не всегда геолог, пытающийся восстановить прошлую историю Земли, имеет достаточные познания в том, как эти обстоятельства складывались в том или ином случае. Но радиоактивность не обладает всеми этими недостатками: уменьшение количества урана в урановой смоляной руде, лежащей в недрах Земли, должно происходить с абсолютной точностью, «по часам», с величайшим безразличием ко всем внешним явлениям. И геологи поняли, что, если они хотят получить безошибочно точные сведения о продолжительности залегания в земной коре тех или иных минералов, если они хотят установить хронологию тех жутко отдалённых от нас времён, когда ещё не существовало человечества, а может быть, не было и самой жизни, — они должны обратиться к помощи радиоактивных элементов — самых безошибочных часов на свете.

Геологи уже давно с любопытством рассматривали маленькие окрашенные кружки, которые встречаются в некоторых сортах слюды — в биотите, кордиерите и мусковите. Происхождение этих кружков оставалось совершенно непонятным, и лишь в 1907 году английский геолог Джоли указал, наконец, на истинную причину, появления этих окрашенных кружков («плеохроических ореолов», как их называли геологи). Джоли обратил внимание на то, что альфа-лучи радиоактивных элементов обладают способностью затемнять или окрашивать многие прозрачные тела.

Рис. 19. Радиоактивные венчики: а) в слюде; б) в полевом шпате.

Уильям Крукс пробовал воздействовать в течение нескольких недель альфа-лучами радия на большой бесцветный алмаз. К концу опыта алмаз принял густую зелёную окраску. Стекло и слюда темнели после того, как в течение продолжительного времени подвергались воздействию тех же самых лучей.

Не вызываются ли и плеохроические ореолы действием альфа-лучей? Такая мысль пришла в голову Джоли, и он измерил под микроскопом радиусы этих ореолов с целью узнать, нет ли какой-нибудь связи между ними и длиной пробега альфа-лучей в слюде. Среди альфа-частиц, испускаемых препаратами радия (большая часть которых принадлежит, как мы уже знаем, не самому радию, а дальнейшим продуктам его распада), наибольшей скоростью и, следовательно, наибольшим пробегом обладает некоторая определённая группа альфа-частиц; выяснилось, что их пробег в слюде равен 0,03 мм.

Когда Джоли измерил радиусы плеохроических ореолов, то оказалось, что в большинстве случаев эти радиусы составляют как раз 0,03

мм! Поэтому Джоли высказал следующее предположение: причиной плеохроических ореолов (или венчиков, как их ещё называют) являются маленькие крупинки радиоактивного вещества, вкраплённые в слюду как раз в центре ореола. Эти крупинки, которые в некоторых случаях действительно удавалось обнаружить в микроскоп, испускают во все стороны свои альфа-частицы. Альфа-частицы пробегают некоторое расстояние внутри однородной слюды и останавливаются, застревая на расстоянии, равном длине пробега этих частиц, от центра ореола. Получается шар, центр которого совпадает с вкраплённым кусочком радиоактивного вещества. При срезе можно наблюдать то самое круглое сечение, которое и было замечено геологами. Джоли указал на то, что в некоторых случаях попадаются хорошо развитые ореолы, имеющие сложную структуру. Это объясняется тем, что различные радиоактивные элементы испускают альфа-лучи с различной длиной пробега. В результате получаются концентрические кольца, радиусы которых соответствуют различным длинам пробега.

Вид плеохроического ореола, как указал Джоли, может быть различным в зависимости от возраста минерала. Самые молодые минералы, в которых из урана, находившегося в радиоактивном включении, ещё не успело образоваться достаточно большое число атомов, являющихся потомками радия, обладают плеохроическими ореолами с радиусом только 0,013 мм. Более древние минералы обнаруживают и внешнее кольцо с радиусом 0,03 мм, и промежуточные кольца. Внимательно изучая эти еле видимые окрашенные венчики в слюде, Джоли определял с довольно большой уверенностью возраст минерала, пролежавшего в земной коре много столетий. Сравнивая густоту окраски венчика с густотой окраски, вызванной искусственно в слюде, подвергаемой действию известного числа альфа-частиц, Джоли установил, что некоторые образцы слюды имеют возраст в сотни миллионов лет. Количество урана, находившееся в радиоактивном включении в одном исследованном Джоли образце, равнялось 5•10^{– 10} г. Это невообразимо маленькое количество урана испускает всего одну альфа-частицу каждые десять часов. И всё же этого оказалось достаточно для того, чтобы за сотни миллионов лет образовать нежный плеохроический венчик, способный рассказать внимательному геологу историю длинных геологических эпох.

Немецкий учёный Мюгге систематически исследовал множество различных минералов, ища в них плеохроические венчики. Он нашёл, что голубой плавиковый шпат из Вольсендорфа обнаруживает плеохроические венчики в большем количестве и более разнообразные, нежели какой бы то ни было другой минерал. Концентрические слои видны ещё отчётливее, чем в слюде. И радиусу каждого такого слоя соответствует (по длине пробега в плавиковом шпате) одна из групп альфа-частиц, испускаемых ураном и его радиоактивными потомками.

В наши дни уже невозможно сомневаться в том, что плеохроические ореолы действительно имеют радиоактивное происхождение, как это предположил Джоли. Внимательное изучение окраски драгоценных камней, вероятно, тоже покажет, что и она обязана своим происхождением действию лучей радиоактивных веществ, — быть может, ничтожно малого их количества, но действующего в течение огромнейших промежутков времени. Таким образом, основываясь на мелких, но безошибочных признаках, геологи умеют восстановить длинную историю земной коры и с уверенностью оценить продолжительность геологических эпох.

Объяснение плеохроических венчиков, которое дал Джоли, можно сравнить с открытиями Шамполиона^{7} и Гротефенда^{8}, расшифровавших непонятные письмена давно исчезнувших народов. И подобно тому, как историки вслед за тем сумели шаг за шагом восстановить судьбу этих народов, точно так же и геологи, пользуясь открытием Джоли, читают историю минералов, написанную еле заметными пятнышками окраски, еле заметными плеохроическими венчиками.