Чтение онлайн

на главную

Жанры

Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом
Шрифт:

N(T) = N(T = 0) x ( 1/2 )T/t 1/2 ,

где t 1/2 – период полураспада изотопа. По истечении одного периода полураспада T = t 1/2 , поэтому T/t 1/2 = 1, ( 1/2 )1 = ( 1/2 ), и, таким образом, N(t1/2) = N(T = 0) x ( 1/2 ) – остается половина

атомов. Если можно измерить количество атомов14C в образце и знать, сколько их было вначале, то мы сможем инвертировать уравнение и найти Т – возраст объекта. В древнем Коране присутствовало 84,3 % от изначального количества атомов 14C, благодаря чему удалось вычислить то время, когда он был создан – с этого момента до 2015 года прошло 1408 лет; иными словами, он появился примерно в 607 году нашей эры.

У вас, наверное, уже появились вопросы. Во-первых, как можно узнать, сколько атомов 14С было в живой овце, шкура которой пошла на пергамент? Во-вторых, если период полураспада 14C составляет всего 5730 лет, как вообще может оставаться этот изотоп, когда Земле 4,5 миллиарда лет? И, наконец, как измерить соотношение 14C/12C на крошечном клочке пергамента? Учитывая, сколь важно датирование при помощи 14C во многом, о чем мы будем говорить дальше (не говоря уже о радиоизотопном датировании как таковом), стоит потратить немного времени и ответить на каждый из этих вопросов.

Откуда берется 14С?

Итак, почему 14С все еще существует в окружающей среде? В главе 6 мы упоминали о том, что этот изотоп встречается редко; это примерно одна триллионная часть количества 12С в мире. Но если бы мы располагали лишь первоначальным количеством 14C, возникшим во время формирования планеты, к настоящему времени его бы точно не осталось – если бы мы захотели возвести дробь ( 1/2 ) в степень, показатель которой равен отношению возраста Земли к периоду полураспада изотопа, пришлось бы умножить 1/2 x 1/2 797 033 раза, и это число оказалось бы настолько близко к нулю, что для наших целей их вполне можно уравнять.

На самом деле наш запас 14C постоянно пополняется, поскольку нашу атмосферу бомбардируют частицы чрезвычайно высокой энергии, проникающие из космоса, – так называемые космические лучи, открытые в 1911 году австрийским физиком Виктором Гессом, совершившим ряд рискованных измерений на большой высоте, куда он поднимался на аэростате. Космические лучи состоят из электронов, протонов и тяжелых атомных ядер, ускоренных в межзвездном пространстве до скоростей, близких к скорости света (см. гл. 16), так что, несмотря на свою ничтожную массу, они несут огромную энергию. У самых энергичных космических лучей, обнаруженных на Земле, в одном протоне умещается сила подачи профессионального теннисиста.

Когда частица космического излучения, на протяжении многих тысячелетий странствовавшая по Галактике, врезается в атомное ядро в верхних слоях атмосферы Земли (примерно в 30 км над поверхностью), она разбивает ядро на составляющие его частицы, высвобождая множество нейтронов. Эти быстрые нейтроны, в свою очередь, сталкиваются с другими атомными ядрами, превращая их в новые изотопы и другие элементы. В частности, быстрый нейтрон (n), столкнувшись с атомом Азота (14N, преобладающим компонентом атмосферы), может выбить протон и занять его место в ядре:

n + 14N -> 14C + p.

В ядре по-прежнему четырнадцать частиц, но на один протон меньше, поэтому атом перемещается с седьмого на шестое место в Периодической таблице и превращается в 14C. Скорость образования 14C в ходе этого процесса примерно постоянна, и если учесть естественную скорость распада изотопа, мы получим то соотношение, которое и наблюдаем в воздухе сегодня, когда на каждый триллион ядер12C приходится одно ядро 14C.

Я говорю, что скорость «примерно постоянна», но этого недостаточно для точного датирования. И хотя в наши дни я могу измерить ее непосредственно, откуда мне знать, какой она была 1400 лет назад, прежде чем мы хотя бы вообразили космические лучи, не говоря уже о радиоактивных изотопах? На самом деле скорость образования частиц меняется и предсказуемо, и непредсказуемо по трем различным причинам, и датирование при помощи изотопа14C практично только потому, что у нас есть независимый способ определения этой скорости.

Изменчивая скорость образования частиц

Первое, что следует учесть, – это скорость, с которой космические лучи из дальнего космоса достигают Земли. Ее значение будет колебаться в зависимости от очень долгих временных масштабов, поскольку Солнечная система обращается вокруг центра Галактики (примерно раз в 240 миллионов лет) и проходит через разные области космоса. Если нам случится миновать место недавнего звездного взрыва – основного места образования космических лучей, – то дождь из частиц высокой энергии усилится, и вместе с этим возрастет скорость образования 14C. Однако в интересующих нас временных рамках (от тысяч до десятков тысяч лет) можно с уверенностью предположить, что скорость, с которой межзвездные космические лучи прибывают в окрестности Земли, достаточно постоянна.

Второй фактор, определяющий уровень воздействия этих лучей на атмосферу, – это интенсивность магнитного поля Земли и активность Солнца. Космические лучи по определению представляют собой заряженные частицы (с положительным или отрицательным зарядом), а такие частицы энергично взаимодействуют с магнитным полем. Более того, напряженность магнитного поля Земли (которое заставляет стрелку вашего компаса поворачиваться, указывая на север) достаточно велика, чтобы полностью отклонить некоторые космические лучи и направить многие другие вдоль своих силовых линий на Северный и Южный полюса, рождая полярное сияние.

Оказывается, напряженность (и даже направление) магнитного поля Земли непостоянна. Поле, созданное турбулентными потоками в расплавленной части земных недр, то усиливается, то ослабевает и меняет свое положение: в настоящий момент Северный магнитный полюс находится в 395 км к югу от географического Северного полюса, сместившись на 570 км к северу и на 810 км на запад за последние двадцать лет2.

Однако для проникновения космических лучей важнее напряженность поля. За последние два столетия она уменьшалась примерно на 6 % за столетие3; чем слабее поле, тем больше космических лучей достигает поверхности Земли и тем сильнее возрастает образование 14C. Если эта тенденция сохранится, поле исчезнет в течение следующих нескольких тысяч лет. Если взглянуть на происходящее в более долгих временных масштабах, то мы увидим, что наблюдаемые в последнее время колебания не являются чем-то необычным, а нынешняя напряженность аналогична средней за последние 7000 лет. Было показано, что за еще более долгое время (от сотен тысяч до десятков миллионов лет) поле исчезает и снова возвращается, меняя полярность, при этом Южный магнитный полюс находится рядом с географическим Северным полюсом и наоборот. Это не имеет значения для интересующей нас скорости образования частиц 14C, поскольку из-за сравнительно короткого периода полураспада данный изотоп бесполезен для датирования, когда возраст объекта намного превышает 50 000 лет.

Поделиться:
Популярные книги

СД. Восемнадцатый том. Часть 1

Клеванский Кирилл Сергеевич
31. Сердце дракона
Фантастика:
фэнтези
героическая фантастика
боевая фантастика
6.93
рейтинг книги
СД. Восемнадцатый том. Часть 1

Я – Орк. Том 6

Лисицин Евгений
6. Я — Орк
Фантастика:
городское фэнтези
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Я – Орк. Том 6

Пятое правило дворянина

Герда Александр
5. Истинный дворянин
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Пятое правило дворянина

Менталист. Эмансипация

Еслер Андрей
1. Выиграть у времени
Фантастика:
альтернативная история
7.52
рейтинг книги
Менталист. Эмансипация

Релокант. Вестник

Ascold Flow
2. Релокант в другой мир
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
рпг
5.00
рейтинг книги
Релокант. Вестник

Вперед в прошлое 5

Ратманов Денис
5. Вперед в прошлое
Фантастика:
попаданцы
альтернативная история
5.00
рейтинг книги
Вперед в прошлое 5

Мир-о-творец

Ланцов Михаил Алексеевич
8. Помещик
Фантастика:
альтернативная история
5.00
рейтинг книги
Мир-о-творец

Изгой. Трилогия

Михайлов Дем Алексеевич
Изгой
Фантастика:
фэнтези
8.45
рейтинг книги
Изгой. Трилогия

Адепт. Том второй. Каникулы

Бубела Олег Николаевич
7. Совсем не герой
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
9.05
рейтинг книги
Адепт. Том второй. Каникулы

Делегат

Астахов Евгений Евгеньевич
6. Сопряжение
Фантастика:
боевая фантастика
постапокалипсис
рпг
5.00
рейтинг книги
Делегат

Приручитель женщин-монстров. Том 1

Дорничев Дмитрий
1. Покемоны? Какие покемоны?
Фантастика:
юмористическое фэнтези
аниме
5.00
рейтинг книги
Приручитель женщин-монстров. Том 1

Береги честь смолоду

Вяч Павел
1. Порог Хирург
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
рпг
5.00
рейтинг книги
Береги честь смолоду

Никто и звать никак

Ром Полина
Фантастика:
фэнтези
7.18
рейтинг книги
Никто и звать никак

Последняя жена Синей Бороды

Зика Натаэль
Любовные романы:
любовно-фантастические романы
5.00
рейтинг книги
Последняя жена Синей Бороды