Рассказ предка. Паломничество к истокам жизни
Шрифт:
Бета-распад происходит иначе. Один нейтрон в исходном ядре превращается в протон, выбрасывая бета-частицу, которая представляет собой единицу отрицательного заряда, или один электрон. Массовое число ядра при этом не меняется, потому что общее число протонов и нейтронов остается неизменным (массой электронов можно пренебречь). Однако атомное число увеличивается на 1, поскольку в ядре становится протоном больше. Натрий-24 в результате бета-распада превращается в магний-24. Массовое число остается прежним – 24, а атомное число увеличивается с 11 (натрий) до 12 (магний).
Третий вид превращения – нейтронно-протонное замещение. Блуждающий нейтрон ударяет в ядро, выбивает один протон и занимает его место. Как и при бета-распаде, массовое число при этом не меняется. Однако атомное число уменьшается на 1 из-за потери протона (атомное число – это число протонов в ядре).
Четвертый способ радиоактивного превращения, который приводит к аналогичным изменениям атомного и массового чисел, – электронный захват. Он представляет собой как бы бета-распад наоборот.
При бета-распаде нейтрон превращается в протон, испуская электрон. А при электронном захвате, напротив, протон, захватывая электрон, превращается в нейтрон. Атомное число уменьшается на 1, а массовое число остается неизменным. Калий-40 (атомное число 19) превращается в аргон-40 (атомное число 18).
Кроме описанных, есть множество других способов превращения одних ядер в другие.
Один из основных принципов квантовой механики – невозможность точно предсказать, когда распадется ядро нестабильного элемента. Но мы можем измерить статистическую вероятность этого события, причем такая вероятность будет характерной для конкретного изотопа. Стандартной мерой является период полураспада. Чтобы измерить период полураспада радиоактивного изотопа, нужно взять образец вещества и подсчитать, за какое время его половина превратится во что-либо другое. Период полураспада стронция-90 составляет 28 лет. Если мы возьмем сто граммов стронция-90, то 28 лет спустя у нас останется лишь пятьдесят граммов. Остальная половина превратится в иттрий-90 (который, в свою очередь, превращается в цирконий-90). Значит ли это, что еще через 28 лет у нас совсем не останется стронция? Разумеется, нет. Останется 25 граммов стронция. Еще через 28 лет количество стронция снова уменьшится вдвое и составит 12,5 грамма. Теоретически оно никогда не достигнет нуля. Поэтому используется понятие периода полураспада.
Период полураспада углерода-15 составляет 2,4 секунды. Через 2,4 секунды от исходного образца остается половина. Еще 2,4 секунды спустя остается четверть, еще через 2,4 секунды – восьмая часть, и так далее. Период полураспада урана-238 составляет почти 4,5 млрд лет. Это примерный возраст Солнечной системы. Поэтому от всего урана-238, который присутствовал на Земле в момент ее формирования, сейчас осталась примерно половина. Замечательное и очень полезное свойство радиоактивности заключается в том, что периоды полураспада различных элементов охватывают огромный временной диапазон, от долей секунд до миллиардов лет.
Итак, мы подошли к основной мысли. Тот факт, что каждый радиоактивный изотоп имеет определенный период полураспада, позволяет датировать горные породы. Вулканические породы нередко содержат радиоактивные изотопы, например калий-40. Он превращается в аргон-40 (период полураспада – 1,3 млрд лет). Теоретически это точные “часы”. Однако измерять содержание калия-40 в горной породе бессмысленно: мы не знаем, сколько его было вначале. Вместо этого нужно оценить отношение калия-40 к аргону-40. К счастью, если калий-40 в кристаллической породе распадается, то аргон-40 (который представляет собой газ) остается в кристалле. Если в кристалле содержание калия-40 и аргона-40 одинаково, то можно заключить, что половина исходного калия-40 распалась. Следовательно, с момента формирования кристалла прошло 1,3 млрд лет. Если аргона-40 вдвое больше, чем калия-40, то с момента формирования кристалла прошло 2,6 млрд лет. А если, напротив, аргона-40 вдвое меньше, можно сделать вывод, что кристаллу 650 млн лет.
Момент кристаллизации, который в случае вулканических пород соответствует моменту остывания лавы, представляет нулевую точку отсчета. После этого исходный изотоп начинает распадаться, а образованный остается “захваченным” в кристалле. Теперь остается измерить соотношение двух изотопов, найти период полураспада исходного изотопа в справочнике и вычислить возраст кристалла. Как я говорил, окаменелости обычно находят в осадочных породах, в то время как пригодные для датирования кристаллы обычно встречаются в вулканических. Поэтому сами окаменелости приходится датировать косвенно, на основе вулканических пород, между которыми залегает интересующий нас слой.
Здесь есть одна трудность: первичным продуктом распада нередко становится другой нестабильный изотоп. Аргон-40, первичный продукт распада калия-40, стабилен. Но уран-238, распадаясь, проходит не менее четырнадцати нестабильных промежуточных стадий, которые включают девять альфа-распадов и семь бета-распадов. Конечной стадией является стабильный изотоп свинец-206. Самый длинный период полураспада в этом ряду (4,5 млрд лет) относится к первому переходу, от урана-238 к торию-234. У одного из промежуточных переходов, от висмута-214 к таллию-210, период полураспада составляет всего двадцать минут – и это не самый быстрый (то есть самый вероятный) переход. Последующие переходы занимают время, пренебрежительно малое по сравнению с первичным. Поэтому для датирования горной породы наблюдаемое отношение урана-238 к свинцу-206 нужно оценивать, исходя из периода полураспада в 4,5 млрд лет.
Уран-свинцовый и калий-аргоновый методы, в рамках которых периоды полураспада оцениваются миллиардами лет, используются для датирования очень древних ископаемых. Для молодых пород эти методы слишком грубы. Для них нужны изотопы с более короткими периодами полураспада. К счастью, в нашем распоряжении целый ряд “часов”, и для каждой породы нужно выбрать подходящие. Более того, различные “часы” можно использовать для перепроверки.
Самые быстрые радиоактивные “часы” обычно основаны на применении углерода-14. Таким образом, мы вернулись к рассказчику: древесина – один из главных материалов, который археологи датируют с помощью углерода-14. Углерод-14 распадается на азот-14 с периодом полураспада 5730 лет. Углеродные “часы” необычны тем, что они используются для датирования мертвых тканей, а не окружающих их вулканических пород, как в других случаях. Датирование углеродом-14 играет важную роль в изучении относительно недавних событий – моложе большинства ископаемых.
Большая часть углерода в мире представлена в виде стабильного изотопа углерод-12. Примерно одна миллион-миллионная часть углерода представлена нестабильным изотопом углерод-14. Поскольку период полураспада углерода измеряется тысячами лет, весь углерод-14 на Земле давно превратился бы в азот-14, если бы не возобновлялся. К счастью, некоторое количество атомов азота-14, самого распространенного в атмосфере газа, непрерывно превращается, в результате бомбардировки космическими лучами, в углерод-14. Скорость образования углерода-14 примерно постоянна. Большая часть углерода в атмосфере (углерода-14 и более распространенного углерода-12) химически связана с кислородом в виде углекислого газа. Этот газ поглощается растениями, которые используют атомы углерода для построения тканей. Растения не делают различий между углеродом-14 и углеродом-12 (их интересуют химические, а не ядерные свойства атомов). Поэтому оба изотопа одинаково хорошо усваиваются растениями.
Растения служат пищей животным, которых, в свою очередь, едят другие животные. Поэтому углерод-14 (в определенной пропорции к углероду-12) распространяется во всей пищевой цепи. По сравнению с периодом полураспада углерода-14 это происходит довольно быстро. Эти два изотопа присутствуют во всех живых тканях примерно в том же соотношении, что и в атмосфере: один к миллиону миллионов. Конечно, они иногда превращаются в атомы азота-14. Но постоянная скорость их превращения компенсируется непрерывным обменом с постоянно обновляемым через пищевую цепь атмосферным углекислым газом.