Нам всем хорошо известно, что когда-то на Земле жили динозавры. Мы даже знаем, что появились они около 270 млн лет назад, а вымерли через 205 млн лет. Но как мы поняли, что речь именно об этих значениях? Как вообще выяснить, сколько тысячелетий отделяет нас от тех или иных событий?
Возраст нашей планеты составляет около 4,5 млрд лет. Человек разум ный — как мы с вами — жив ёт на Земле «всего» около 100 тысяч лет, а цивилизация существует и того меньше — каких-то 6 тысяч лет. А теперь вспомните, сколько свечек на торте вы задували в свой прошлый день рождения, и попробуйте представить прожитые вами годы в масштабе геологического времени. Это сравнение позволяет понять, что такое относительный возраст. В геологии так называют хронологический порядок событий. Например, динозавры появились после массового вымирания фауны в конце пермского периода и жили задолго до появления человека. Историю Земли учёные делят на временные отрезки, границы которых определяются по этим самым событиям.
Относительный возраст горных пород Земли определяют в основном по окаменелостям, которые в них находят. Казалось бы, чем глубже слой, тем древнее. Если бы накопление осадочных пород повсеместно происходило без перебоев и с одинаковой скоростью, то это умозаключение было бы правдой. Однако это далеко не всегда так, ведь Земля постоянно меняется под действием самых разных процессов. Слои могут сформироваться в относительно спокойных условиях и залегать красиво и ровно один над другим — а потом от движения земной поверхности они могут быть смяты в складки, опрокинуты с ног на голову, пожёваны различными организмами… И как тогда понять, что произошло раньше, какие животные когда жили? Для ответа на этот вопрос учёные придумали измерять абсолютный возраст.
СКОлЬКО леТ ТеБе, ОКАмеНелОСТЬ?
Абсолютный возраст горных пород — это время, выраженное в абсолютных единицах (например, в миллионах лет), прошедшее с момента какого-то события до настоящего дня. Абсолютный возраст используется для того, чтобы вписать все события в истории нашей планеты в геохронологическую шкалу не только в нужном порядке, но и в правильное время. Так, динозавры жили на Земле не просто раньше нас с вами (относительный возраст), а примерно за 65 млн лет до появления человека разумного (абсолютный возраст). Точный возраст горных пород и окаменелых остатков живых организмов невозможно было определить вплоть до конца XIX века. На помощь геологам пришла, как это ни странно, радиация. Да, радиация — это не только ядерные взрывы, мутации и лучевая болезнь. Она может нести зло и разрушение, а может работать на благо науки.
Невидимые лучи
Впервые свойство некоторых химических соединений излучать невидимые лучи, следы которых могут отпечататься на специальной плёнке, открыл немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген в 1895 году. Он заметил, что экран, покрытый кристаллами комплексной соли металлов бария, платины и синильной кислоты, начинает светиться зелёным светом, если его положить неподалёку от подключённого катода (это электрод, в направлении которого течёт ток). При этом сам экран к току подсоединён не был и с катодной трубкой контакта не имел. В процессе дальнейших экспериментов Рентген установил, что некоторые вещества могут испускать лучи, проникающие через непроницаемые для световых волн предметы. Например, сквозь тело человека. Физик назвал это излучение икс-лучами, а сегодня мы называем их рентгеновскими лучами в честь исследователя, единицу измерения радиации также назвали в честь Рентгена.
Одна из первых рентгенограмм. Снимок руки жены Рентгена, Анны Берты Людвиг. Вильгельм Конрад Рентген
Недолгое время считалось, что икс-лучи могут испускаться только химическими соединениями при подаче тока на электрод, находящийся поблизости. Однако в 1896 году французский учёный Анри Беккерель, заинтересовавшийся открытием Рентгена, случайно обнаружил, что соли урана могут испускать такие же лучи, даже находясь далеко от электрического тока — в закрытом тёмном шкафу. Эти лучи, природу которых на тот момент никто объяснить не мог, назвали «лучи Беккереля». Он также открыл, что горстка вещества, состоящего из соединений урана, может ионизировать воздух вокруг себя. Эксперименты по изучению «лучей Беккереля» продолжались, и в 1897 году «радиационную эстафету» приняли французские физики Мария Склодовская и её супруг Пьер Кюри. Мария выбрала икс-лучи темой своей докторской диссертации. Именно она ввела термины радиоактивность и радиоактивный элемент в своей статье, опубликованной в январе 1899 года. Супруги Кюри открыли, что не только уран обладает свойством радиоактивности: они обнаружили гораздо более мощные радиоактивные вещества — например, полоний, который они назвали в честь родины Марии, Польши. Кроме того, они изучили влияние радиации на живые организмы.
ОПЫТ БЕККЕРЕЛЯ
Опыт французского физика Анри Беккереля был направлен на изучение икслучей, случайно открытых Вильгельмом Рентгеном. Он планировал провести эксперимент в своём дворе, но погода подвела, и Беккерель отложил образцы урановой соли, которую он собирался наэлектризовать для выделения лучей, в тёмный ящик. Там же лежали и фотопластинки, которые он этими образцами придавил. Каково же было его удивление, когда через несколько дней он увидел отпечатки образцов на фотопластинке!
Атом представляет из себя целую систему, отдалённо напоминающую планету. Электронные облака, как слои атмосферы вокруг планеты, кружатся вокруг ядра. Само ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Атом может отдавать и принимать электроны. Если количество электронов равно количеству протонов в ядре, то атом не имеет заряда и называется электрически нейтральным. Если же их количество разное, то атом будет иметь либо отрицательный заряд (если больше электронов), либо положительный (если наоборот). Заряженный атом называется ионом. Отсюда же и термин ионизация. У некоторых химических элементов ядра атомов нестабильны: распадаются сами по себе или под действием каких-то внешних сил с выделением большого количества энергии. Ядерный распад прекращается, пока от ядра не останется стабильный кусочек. В процессе распада химический элемент может превратиться в другой или может остаться тем же, но с ядром уже другого типа. Типы ядер одного элемента отличаются количеством и соотношением частиц и называются изотопами этого элемента.
Тот факт, что радиация может быть вредна для человека, тоже открыл Беккерель — и тоже случайно! После заседания Парижской академии наук, где он читал доклад о невидимых всепроникающих лучах, учёный положил стеклянную пробирку с ураном в нагрудный карман пиджака. И забыл про неё. Вечером Беккерель заметил, что под карманом на теле остался чёткий красный, как будто выжженный, отпечаток пробирки. А на следующий день на этом месте образовалась язва. Физик рассказал о происшествии Пьеру Кюри, и тот решил повторить эксперимент, привязав пробирку с ураном к предплечью на пару суток. Покраснение, ожог и язва повторились. Так было сделано открытие о вредном влиянии радиации на биологические объекты.
Мария СклодовскаяКюри за рулём мобильной рентгеновской установки
ПОлеЗНАЯ РАдиАЦиЯ Методы датирования геологических объектов, в основе которых лежит радиация, называют радиологическими, или радиоизотопными. Их принцип заключается в следующем: количество любого радиоактивного изотопа уменьшается со временем по экспоненте. Таким образом, для каждого изотопа существует определённый период времени, за который его количество уменьшится в два раза, — он называется период полураспада. Выделив из образца радиоактивные изотопы и посчитав их количество, а также число стабильных изотопов, можно определить, какая часть этого вещества уже успела распасться. Затем, зная период полураспада для данного элемента, можно рассчитать возраст образца.
Например, одним из самых распространённых радиоизотопных методов анализа является уран-свинцовый метод. Ядро радиоактивного урана сначала распадается до образования атома тория, который также нестабилен и распадается далее, превращаясь в протактиний. Далее происходит цепочка распадов (свыше десяти!), прежде чем, наконец, не образуется стабильный изотоп уже нового элемента — свинца. Второй по распространённости метод — калий-аргоновый. Он основан на превращении радиоактивного изотопа 40K в изотоп аргона 40Ar с периодом полураспада 1,3 млрд лет.
Самым распространённым приёмом для подсчёта количества изотопов разных элементов в веществе является массспектрометрия. Этот метод позволяет определить концентрацию химического элемента в образце на основании соотношения его массы к его электрическому заряду. Так, ионы, движущиеся в магнитном поле, искажают свою траекторию под действием силы Лоренца. Но это искажение не одинаково для всех атомов, а зависит от отношения массы атома к его заряду. Эти зависимости и называются масс-спектром. В основе всех радиологических методов лежит один и тот же принцип, сами методы различаются главным образом областью применения. Например, точность определения возраста образца при помощи уран-свинцового метода составляет приблизительно 0,1 % для пород возрастом свыше ста тысяч миллионов лет. Поэтому этот метод очень хорош для определения абсолютного возраста палеозойских отложений. А вот калий-аргоновый метод позволяет датировать как образцы, которые годятся в ровесники Земле, так и объекты помоложе, возрастом в десятки тысяч лет.
ПРИНЦИП РАБОТЫ УСКОРИТЕЛЬНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА
Датирование с помощью ускорительной масс-спектрометрии. Ионизированные атомы углерода из образца отправляются в виде пучка в ускоритель. Далее ионы отклоняются магнитом, причём более лёгкие отклоняются сильнее. Это позволяет разделить изотопы углерода 12С, 13С и 14С, детектор измеряет их количество. Отношение оставшегося после смерти организма радиоактивного 14С к количеству стабильных изотопов углерода показывает возраст образца.
РАдиОуГлеРОдНыЙ меТОд
Углерод — четвёртый по распространённости элемент нашей галактики Млечный Путь. Он входит в состав всех органических молекул. И тоже может быть радиоактивным! Среди изотопов углерода есть один нестабильный и распадающийся со временем — это радиоуглерод 14С. Основываясь на том, что живые клетки содержат углерод, американский химик Уиллард ЛиББи предложил в 1946 году метод радиоуглеродного датирования (в 1960-м учёному присудили Нобелевскую премию в области химии). Принцип этого метода отличается от других, основанных на распаде изотопов. Это связано с тем, что живые организмы — даже мы с вами — поглощают и радиоактивный, и нерадиоактивный изотопы углерода в течение всей своей жизни. Радиоуглерод образуется в верхних слоях атмосферы при взаимодействии космических лучей с атмосферным азотом.
А нерадиоактивные изотопы 13С и 12С поглощаются живыми организмами, а потом ими же обратно и выделяются. Все эти изотопы так похожи с биологической точки зрения, что организм практически не делает различий при их поглощении. Таким образом, соотношение радиоактивного и нерадиоактивного изотопа углерода в атмосфере (а следовательно, и в организмах) всегда более или менее одинаково. Однако после смерти углеродный обмен с окружающей средой прекращается, и если со стабильным изотопом ничего не происходит, то радиоактивный продолжает распадаться, и меняется соотношение вариаций углерода в останках. На основании этого отношения и определяется время, прошедшее со смерти изучаемого организма.
Погрешность радиоуглеродного метода составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Поэтому он так популярен среди археологов и палеонтологов, занимающихся четвертичным периодом. Несмотря на кажущуюся простоту и гениальность метода, надо иметь в виду, что Либби предполагал, что соотношение радиоактивных и стабильных изотопов в атмосфере вообще никогда не меняется. Но он ошибался: оказалось, что тут действует ряд факторов, таких как солнечная активность, работа вулканов и даже человеческая деятельность. Например, содержание радиоактивного углерода в атмосфере катастрофически выросло с развитием ядерной физики и проведением большого числа атомных испытаний в 1950–60-х годах. Поэтому тот возраст, который получается при расчётах, необходимо калибровать — то есть делать поправку на эти обстоятельства. Для этого существует специальный график изменения соотношения углеродных изотопов в атмосфере, который постоянно обновляется.
Можно бесконечно долго рассказывать о недостатках и преимуществах разных методов определения датировки и спорить о том, какой же из них лучше. Факт остаётся фактом: с помощью радиации мы смогли заглянуть не только внутрь плотных объектов, но даже и в прошлое! И несмотря на то, что в больших дозах радиация действительно очень опасна для жизни и здоровья живых организмов, её открытие значительно помогло в изучении истории нашей планеты и жизни на ней.