Большинство химических элементов периодической таблицы Менделеева имеют по несколько изотопов. Как уже рассказывалось в главе 2, все изотопы одного элемента ведут себя в химическом отношении одинаково. Каждый из них имеет одинаковое число протонов в ядре своих атомов и одинаковое число электронов, окружающих это ядро. Однако каждый из изотопов имеет слегка отличный вес, поскольку ядра разных изотопов содержат неодинаковое число нейтронов. Вид изотопа определяется числом, которое означает сумму протонов и нейтронов в ядре атома (и тем самым его вес, точнее — массу). Таким образом, в каждом глотке воздуха, который вы вдыхаете, большая часть атомов кислорода принадлежит изотопу кислород 16, но некоторые принадлежат изотопу кислород 18 и совсем ничтожное число — изотопу кислород 17. Но что касается вашего тела, то большая часть его состоит из всех изотопов кислорода.
Радиоактивные изотопы неустойчивы. Радиоактивный распад направлен на достижение устойчивости с помощью изменения соотношения между числом протонов и нейтронов в ядрах атомов. Это осуществляется путем выбрасывания некоторых частиц из ядра с большой энергией, и в этом процессе образуется другой химический элемент. Например, мы видели, что уран, распадаясь, образует свинец (хотя в этом конкретном случае преобразование ядер урана в свинец включает целую серию радиоактивных распадов, а не один-единственный этап). Явление радиоактивности было открыто в последние годы девятнадцатого столетия и с тех пор интенсивно изучается. Ученые быстро узнали путем экспериментов, что радиоактивность является статистическим явлением, то есть что каждый радиоактивный изотоп характеризуется определенной вероятностью того, что он распадется в заданный промежуток времени. Это легче всего представить, вообразив большое количество радиоактивных атомов в стакане. Представим себе, что мы можем их видеть и определять их число в любой момент времени. Если мы проделаем такое наблюдение через какой-нибудь промежуток времени, скажем, через минуту, то обнаружим, что определенная часть атомов распадется; при наблюдении еще через минуту распадется та же часть оставшихся атомов и так далее. Поскольку радиоактивность является статистическим явлением, и особенно если количество атомов в стакане изначально было мало, то доля распадающихся атомов может слегка колебаться от минуты к минуте, но в среднем она будет постоянной. Тот же эксперимент, но проведенный в разное время и при широком разнообразии окружающих условий, даст тот же результат. Это указывает на то, что вероятность распада определенной доли данного изотопа за определенное время является постоянной величиной. Закономерность распада удобно выразить через время полураспада изначального количества атомов данного изотопа в образце породы, то есть время распада половины изначальных атомов изотопа. Математически период полураспада прямо пропорционален величине постоянной распада и для большинства радиоактивных изотопов он определен с высокой точностью. Именно эти данные являются ключом ко всем применяющимся в геологии методам «абсолютного» датирования.
Возможно, вы поняли из этого описания, что радиоактивный распад описывается экспоненциальным законом распределения: количество распадающихся за каждую единицу времени атомов в начале процесса велико, но с течением времени становится все меньше. Именно доля атомов, которые распадаются в каждый из одинаковых промежутков времени, оказывается постоянной, что видно из рис. 6.2.
Почему же в природе существуют неустойчивые радиоактивные изотопы? Вместе с устойчивыми элементами большая часть их образуется в результате ядерных реакций в недрах звезд или же при взрывах сверхновых звезд которые регулярно происходят в нашей Галактике. Они являются частью того вещества, которое вошло в состав Земли при ее образовании; изотопы с очень долгим периодом полураспада распались лишь частично. Они все еще встречаются на Земле. Но существуют и изотопы со столь коротким периодом полураспада, что любые их количества, существовавшие в период образования Земли, давно уже полностью распались. Тот факт, что они все же встречаются на Земле, говорит о том, что они продолжают образовываться в каких-то ныне протекающих процессах.
Рис. 6.2. Количество радиоактивного изотопа углерод 14 (здесь оно показано в произвольных единицах), содержащееся, например, в растении, остается постоянным, пока оно живо и обменивается СO2 с атмосферой. После того как оно умирает (отмечено цифрой 0 на графике), содержание в нем углерода 14 уменьшается наполовину каждые 5700 лет, в связи с его распадом до нерадиоактивного азота. Точки на кривой расположены через интервал времени, равный времени полураспада. Очевидно, что после пяти или шести таких периодов остается очень мало углерода 14. Тот же процесс показан и в верхней части рисунка в условной форме исчезновения углерода 4 из первоначально полного стакана.
Хорошим примером изотопов последней категории является углерод 14 — изотоп, столь знакомый многим в связи с углеродным (или карбоновым) методом датировки. Он имеет короткий (по геологическим масштабам) период полураспада, равный 5700 лет, так что никакое количество углерода 14, обнаруживаемое в наши дни, не может быть остатком, сохранившимся со времен образования Земли (как должно быть очевидно из рис. 6.2). Наоборот, запасы этого изотопа на нашей планете постоянно пополняются в результате ядерных реакций, протекающих в атмосфере. Это оказалось счастливым обстоятельством для археологов и климатологов, которые широко используют углерод 14 для датировки.
Ядерные реакции, благодаря которым в земной атмосфере образуется углерод 14, вызываются космическим излучением, то есть потоками элементарных частиц — преимущественно отдельных атомов, — которые пронизывают космическое пространство и часто падают на Землю, пронизывая ее атмосферу. Многие из этих атомов имеют своим источником Солнце и разгоняются, устремляясь в космос в больших количествах в моменты, когда огромные языки пламени — солнечные протуберанцы — выбрасываются Солнцем на миллионы миль от солнечной поверхности. Некоторая часть космического излучения с еще большими энергиями частиц — это путешественники из областей Галактики, далеко отстоящих от Солнечной системы. Но независимо от их происхождения, когда очень быстрые частицы космического излучения сталкиваются с атомами земной атмосферы, возникают ядерные реакции, подобно тому, как это происходит в созданных человеком ускорителях элементарных частиц. Побочным продуктом этих реакций являются нейтроны; когда произведенный космическим лучом нейтрон ударяется в устойчивый атом изотопа азота под номером 14 и захватывается им (азот является самым мощным элементом в составе атмосферы), выбивая из него один протон, возникает радиоактивный углерод 14.
Большая часть углерода в составе земной атмосферы связана с кислородом и образует углекислый газ (диоксид карбона). Такова судьба и образованных с помощью космических лучей атомов радиоактивного углерода 14, так что в каждой порции углекислого газа, взятого из атмосферы, содержится постоянная доля атомов углерода 14. Вследствие того, что в живых организмах углерод, входящий в их состав, в конечном итоге образуется из атмосферы с помощью происходящего в растениях фотосинтеза, он содержит ту же постоянную долю углерода 14, что и атмосфера. Это является основой для использования этого радиоактивного изотопа в качестве хронометра.
Датирование с помощью углерода 14 было применено для определения возраста Туринской плащаницы, раковин из мусорных куч североамериканских индейцев, доисторических извержений вулканов на Гавайских островах. Как же конкретно производится датирование определенных образцов с помощью этого метода? Во-первых, нужно найти материал, который содержит углекислоту (и значит, углерод 14), заимствованную из атмосферы. Для этого подойдет все, что угодно, лишь бы оно содержало углерод и было живо во время события, время которого мы хотим определить, хотя некоторые вещества более пригодны для этого, чем другие. Часто используются растительные остатки, как, например, древесина или даже древесный уголь. Когда растение умирает или падает под ударами топора, или сгорает в лавовом потоке и поглощается им, оно перестает связывать углерод из атмосферы; начиная с этого момента содержащийся в нем радиоактивный углерод 14 начинает распадаться в соответствии с хорошо известной величиной — постоянной распада и с графиком, показанным на рис. 6.2. Если образец старого дерева имеет возраст, точно соответствующий периоду полураспада углерода 14, то есть 5700 лет, то он содержит в точности 50% количества этого изотопа, которое содержится в современных растениях; если его возраст равен двойному периоду полураспада — то 25% и так далее. Из рис. 6.2 очевидно, что после времени, равного нескольким периодам полураспада, остается не так уж много радиоактивного изотопа. И все же современная техника позволяет определить исключительно малые количества углерода 14 и таким образом измерить возраст образцов до сорока или пятидесяти тысяч лет. Это составляет более восьми периодов полураспада, поэтому в образце такого возраста содержится 1/254 часть первоначального количества углерода 14.