О соли, светящейся в темноте, о солнечном газе и дне рождения новой науки

 

Шли десятилетия, но ответ на интересующий ученых вопрос все не приходил. Только в самом конце XIX века были полу­чены первые обнадеживающие данные.

В один из счастливых для науки дней 1896 г. французский физик Анри Беккерель, случайно оставив в ящике стола кусочек урановой соли и фотопластинку в кассете, обнару­жил, что пластинка оказалась засвеченной какими-то неиз­вестными лучами. Это излучение сразу обратило на себя внимание экспериментатора и вызвало небывалый интерес в научном мире.

Десятки ученых всех стран направили свои исследования на поиски причин таинственного излучения. Неутомимые ис­следования повлекли за собой серию чрезвычайно важных открытий, положивших начало новому направлению в физике. В результате этих открытий удалось выделить чистый радий, узнать строение атома, изучить структуру атомного ядра и вскрыть природу загадочного явления, именуемого радиоак­тивным распадом.

Сегодня мы знаем, что все элементы, ядра атомов ко­торых содержат более 81 протона, радиоактивны. Эти так называемые тяжелые элементы (каждый из них имеет не­сколько разновидностей — изотопов) подразделяются на три класса, или семейства; ряд урана, ряд тория и ряд актиния. Свойством радиоактивности обладают также некоторые изотопы и более легких элементов. Общее число известных ныне естественных радиоактивных изотопов достигает 60. Жизнь большинства из них весьма коротка, и наблюдать их мы можем лишь потому, что они непрерывно рождаются при ядерных реакциях или в результате разложения других радиоактивных элементов.

Все радиоактивные вещества обладают способностью рас­падаться, превращаясь в другие — дочерние — химические элементы. При этом скорость распада постоянна и не зави­сит от каких бы то ни было внешних воздействий. Атомы урана и тория, разрушаясь, превращаются в металл свинец и инертный газ гелий. Гелий может частично улетучиваться, свинец же, напротив, постепенно накапливается в минера­лах и горных породах. Время, за которое материнский элемент успевает наполовину превратиться в дочерний, называется периодом полураспада.

Радиоактивный распад непрерывно происходит во всей земной коре и во внутренних областях Земли. Стало быть, зная скорость распада урана и тория и количество нако­пившегося в минерале свинца, можно вычислить время обра­зования этого минерала.

Изучение возраста Земли на основании выявления за­кономерностей радиоактивного распада началось еще в пер­вые годы нынешнего века. Удалось установить, что гелий, впервые обнаруженный на Солнце и получивший свое назва­ние по имени древнегреческого бога этого светила Гелиоса, встречается на Земле достаточно часто, причем родителями его всегда являются радиоактивные элементы уран и торий. Первые опыты определения возраста минералов по этим элементам провел великий английский физик Эрнест Резер-форд.

Последующие работы зарубежных и советских ученых принесли много ценных сведений о законах радиоактивного распада и заложили основы приближенного исчисления геоло­гического возраста Земли в абсолютных единицах времени.

Новые горизонты открыло перед естествоиспытателями знание процессов радиоактивности. Это позволило рассматри­вать кристаллы минералов в качестве природных хронометров, отсчитывающих ход геологического времени. В различных районах Земли были вновь изучены разрезы земной коры, возраст которых был установлен ранее по шкале относи­тельной геохронологии. Полученные данные показали, что возраст горных пород, определенный «абсолютным» методом, в общих чертах совпадает с последовательностью, которую давала для этих пластов традиционная геология. Стрелка уранового хронометра достаточно определенно указывала очередность напластований: одни отложения оказались более древними, другие — более молодыми, как и предполагали раньше геологи.

Представилась возможность проверить некоторые старые предположения о происхождении и развитии нашей планеты. Процессы радиоактивного распада приводят к выделению тепловой энергии, которая постоянно поступает из недр к поверхности Земли. Этот факт заставил отвергнуть гипотезу об однонаправленном остывании земного шара. Пришлось отказаться и от космогонических моделей, подобных тем, ко­торые были взяты в основу геохронологических определе­ний Бюффоном и Томсоном.

Полученные физиками новые сведения сразу «удлинили» земную историю сначала до 200 млн. лет, а вскоре и до 2 млрд. лет. Учение об абсолютном возрасте Земли обретало силу.

ВЕЧНЫЕ ЧАСЫ

О появлении новых элементов и о нескольких способах определения возраста земных слоев

 

Специалистам, занимающимся установлением возраста древ­них отложений, пришлось иметь дело с огромным разно­образием горных пород. Одни породы являются первичными продуктами земных недр, другие возникли в результате их разрушения и изменения.

При процессах выветривания образуются глины, пески и галечники; в водных бассейнах происходит химическое осаждение солей; в итоге жизнедеятельности организмов могут формироваться известняки, кремнистые породы и за­лежи каменного угля. Все эти породы называются осадоч­ными.

Расплавленная магма, внедряясь из глубин Земли в толщу земной коры и застывая в ней, дает породы, получившие название интрузивных (граниты, сиениты, габбро и др.). Если же магме удается достигнуть земной поверхности, обра­зуются вулканогенные породы: эффузивы (застывшие потоки лавы) и туфы (вулканический пепел и продукты его пере­работки). Интрузивные и эффузивные породы называют маг­матическими.

Под действием давления, высокой температуры и хими­чески активных веществ магматические и осадочные обра­зования могут совершенно изменить свой облик и перейти в перекристаллизованное состояние. Таковы, например, гней­сы, кристаллические сланцы, мраморы. Эти породы названы метаморфическими.

Каждому типу пород присущ своеобразный комплекс ми­нералов. Различно происхождение этих минералов, различна их история. Химические компоненты, входящие в состав вещества минералов, ведут себя по-разному. Поэтому, ставя перед собой задачу определить возраст горной породы, необ­ходимо тщательно изучить ее происхождение и выбрать из арсенала научных методов те, которые могли бы обеспе­чить наибольшую достоверность ожидаемых результатов.

Как известно, радиоактивность может проявляться в двух основных формах, получивших название альфа (а)- и бета (0)-распада. При альфа-распаде ядро радиоактивного эле­мента испускает альфа-частицу — ядро атома гелия, состоя­щее из двух протонов и двух нейтронов, и один квант гамма-излучения. При бета-распаде ядро излучает бета-частицу, которая представляет собой электрон, и нейтрино. Оба вида распада сопровождаются нагреванием окружающего ве­щества. Кроме того, ядро может иногда захватывать электрон с ближайшей электронной оболочки, излучая при этом ней­трино. На изучении этих процессов и построены главнейшие методы абсолютной геохронологии.

Одним из первых способов определения абсолютного воз­раста был уже упоминавшийся свинцово-изотопный метод, основанный на изучении процессов распада изотопов уран-238, уран-235 и торий-232. По соотношению этих элементов и изотопов свинца, образующихся в результате их радио­активного распада, удается с высокой точностью установить время появления горной породы.

Однако урановые и ториевые минералы недостаточно стой­кие, легко разрушаются и, кроме того, не так уж часто встре­чаются в природе. Это поначалу накладывало существенные ограничения на использование свинцового метода. Но по­скольку содержание урана и тория в горных породах не оставалось постоянным в ходе геологической истории, из­менения эти неизбежно должны были отразиться и на соот­ношении продуктов их распада. Следовательно, совершенно необязательно, чтобы в минералах непременно присутство­вали уран и торий. Достаточно, если нам будет известен, например, изотопный состав содержащегося в минерале свинца.

Природный свинец представляет собой смесь четырех изотопов, из которых три (свинец-206, -207, -208) являются продуктами радиоактивного распада. Анализы показывают, что в образующихся ныне слоях эти изотопы содержатся в отношении

²⁰⁴Pb:²⁰⁶Pb:²⁰⁷Pb:²⁰⁸Pb=1:19,04:15,69:39,00.

В отложениях минувших эпох это соотношение изме­няется: чем древнее горная порода, тем меньше в ней радио­генных изотопов свинца.

По известной нам скорости распада материнских элемен­тов нетрудно вычислить, какое количество каждого изотопа должно присутствовать в породах того или иного возраста. Если же установить, в каком соотношении пребывают изо­топы свинца в интересующем нас минерале, можно решить и обратную задачу: по количеству изотопов установить время образования породы.

Свинец неплохо исполняет роль «метрического свидетель­ства» горных пород, особенно в тех случаях, когда прихо­дится иметь дело с большими залежами, насыщенными этим элементом. Но распространен свинец в земной коре неравно­мерно. При сравнении результатов многочисленных анали­зов было замечено, что в одних местах количество свинца по отношению к урану и торию явно занижено, а в других — чрезмерно завышено.