6. Изменение изотопного состава элементов в телах Солнечной системы
В телах Солнечной системы протекают непрерывные ядерные превращения, которые приводят к изменению изотопного состава многих химических элементов. Изучение этих процессов позволяет понять историю развития вещества Солнечной системы.
Распад радиоактивных ядер приводит, естественно, к сдвигам изотопного состава многих элементов: к накоплению содержания изотопов одних элементов и уменьшению других. Основное значение в истории Земли и метеоритов имеют радиоактивные изотопы: К40(Т= 1,25 · 109 лет), Тh232(T = 1,42 · 1010 лет), U235(T = 7,13 · 108 лет) и U238(T = 4,5 · 109 лет). Радиоактивный распад указанных изотопов за время, прошедшее с момента образования земной коры, равное 3,5-109 лет, привел к значительному уменьшению их распространенности. Например, количество U23 уменьшилось в 30 раз, К40 — в 8 раз по сравнению с их первоначальным содержанием. Содержание изотопов Th232 и U238 благодаря их большему периоду полураспада, уменьшилось на 10 и 50 % соответственно.
За счет распада изотопов тория и урана в земной коре происходит накопление их стабильных продуктов распада и прежде всего гелия Не4. Найдено, что 1 т гранита, содержащего 2 · 10—б г урана и 1 · 10—5 г тория на грамм гранита, за 1 млн. лет производит 0,51 мл гелия при обычной температуре и давлении. Установлено, что весь присутствующий в земной коре Не4 имеет радиогенное происхождение.
Из данных В. Г. Хлопина следует, что за 1 млрд, лет в результате распада урана и тория содержание гелия в земной коре увеличивается на 1 · 10—5 вес. %, ь то время как распространенность гелия составляет только 1 · 10—6 вес. %·
Промежуточные члены распада урана и тория — изотопы радиоактивных элементов: протактиния, актиния, тория, радия, франция, радона, полония и астата. Распространенность всех этих элементов крайне мала. Например, содержание радия равно 3,4 — 10—7 г на 1 г урана, что составляет 1 · 10—10 вес. %. Верхние же горизонты земной коры толщиной 7,5 км содержат около 11 300 т Ас227, 115 т Rn222, 4000 т Ро210, 245 г Fr223 и 0,69 г At218.
Самые значительные сдвиги в изотопном составе наблюдаются для свинца, изотопы которого являются конечными звеньями рядов распада урана и тория, присутствующих в земной коре. Повышенное содержание свинца, обнаруженное недавно Аллером в Солнечной системе (см. рис. 45), обусловлено его образованием при распаде указанных выше элементов. Велики изменения и изотопного состава аргона. В породах и атмосфере преобладает изотоп Аr40, он образуется при K-захвате К40, который, как видно из данных, приведенных в периодической системе элементов, является самым распространенным радиоактивным изотопом в земной коре. Можно сказать, что весь Аr40, присутствующий в настоящее время в земной коре, имеет радиогенное происхождение. Долгое время было непонятно, почему атомный вес аргона больше, чем калия, что не соответствовало их положению в периодической системе элементов. Сейчас эта аномалия объясняется большой долей радиогенного Аr40 в изотопном составе аргона. Изменения в изотопном составе за счет распада других природных радиоактивных изотопов невелики, так как последние имеют очень большие периоды полураспада.
К изменению изотопного состава элементов может приводить также спонтанное деление некоторых изотопов тяжелых элементов. Периоды полураспада спонтанного деления велики. Так, для U238 он равен 8,04 · 1015 лет, для U235 — 1,87–1017 лет, для Th232 по последним данным Т ≥ 1021 лет. Следовательно, наибольшую роль могут играть только продукты спонтанного деления U238, хотя и она тоже не очень велика, потому что за время существования земной коры разделилось только лишь около 3 · 10-5 % ядер этого изотопа, присутствующих в начальный момент образования земной коры. Из рис. 9 следует, что увеличение распространенности за счет спонтанного деления можно ожидать только для изотопов с A от 85 до 105 и от 130 до 150.