Геологические «углеродные часы»


Большинство природных химических элементов сочетается между собой в различных комбинациях и образует все богатое разнообразие окружающего материального мира. Никакие химические реакции не влияют на атомы этих элементов — в том смысле, что атомы остаются неизменными и всегда могут быть выделены посредством химических приемов в чистом виде из любого химического соединения.

Схема ядерной реакции превращения атомов азота (N14) под влиянием космических лучей (п) в атомы радиоуглерода (С14). Радиоуглерод излучает бета-частицы (р) и превращается снова в азот (N14).

Схема ядерной реакции превращения атомов азота (N14) под влиянием космических лучей (п) в атомы радиоуглерода (С14). Радиоуглерод излучает бета-частицы (р) и превращается снова в азот (N14).

Однако некоторые природные элементы (и все искусственно полученные) оказываются но вполне устойчивыми: их атомы время от времени «взрываются» сами собой и превращаются в атомы другого элемента. Такое превращение, или распад, атомов сопровождается радиацией, т. е. излучением, испусканием мелких заряженных частиц — α (альфа)-, β (бета)- и γ (гамма)-лучей; поэтому процесс этот назван радиоактивным распадом, а подверженные ему неустойчивые элементы называются радиоактивными или просто активными элементами. Среди природных элементов известно много радиоактивных, как например уран, радий, торий, калий, рубидий и др.

Каждый активный элемент, распадаясь, «порождает» всегда «дочерний» элемент, который может оказаться неустойчивым и будет превращаться в новый элемент. В этом случае получается радиоактивный ряд, т. е. последовательная «цепочка» элементов, связанных между собой «кровным родством».

Так, известны и хорошо изучены радиоактивные ряды тяжелых элементов — урана, актино-урана и тория. Превращение всякого активного элемента в конце концов заканчивается на вполне устойчивом элементе. Так, из урана, актино-урана и тория образуются свинец и газ гелий, из калия — кальций и газ аргон, из рубидия — стронций и т. д.
Для каждого элемента характерна своя скорость распада; она наглядно выражается так называемым периодом полураспада, т. е. временем, за которое количество радиоактивного элемента вследствие его распада уменьшается в два раза.

Скорость распада различных элементов неодинакова. Так, полураспад урана происходит за 4,5 млрд. лет, полураспад калия — за 1,4 млрд. лет, радия — за 1590 лет.

Многие искусственно полученные активные элементы распадаются очень быстро: жизнь некоторых из них продолжается доли секунды.

В природе могут существовать независимо только долгоживущие активные элементы. Недолговечные элементы могут уцелеть лишь в тех случаях, когда их быстрая убыль (вследствие распада) непрерывно пополняется новообразованием.

Радиоактивность элемента проявляется всюду одинаково при любых внешних условиях; она не зависит от них, как не зависит и от характера химического соединения, в котором находится этот элемент.

Процесс распада радиоактивных веществ совершается со строго определенной скоростью. Если какой-либо природный минерал содержит радиоактивный элемент, например уран или калий, то в этом минерале с течением времени количество урана или калия будет убывать и одновременно непрерывно будут накапливаться конечные продукты их распада, о которых говорилось выше.

 
Как определяется возраст радиоуглеродным методом

Таким образом, химический состав радиоактивного минерала очень медленно и закономерно изменяется во времени. Так как известно заранее, сколько, например, гелия и свинца образуется из определенного количества урана за один год, то по этому изменению, т. е. по убыли радиоактивного элемента и по накоплению соответственных конечных продуктов его распада (гелия, свинца, аргона, кальция и т. п.), можно вычислить время существования такого минерала. Так, например, по соотношению свинца и урана в урановых минералах или по соотношению аргона и калия в калиевых минералах ученые определяют их абсолютный геологический возраст, т. е. число лет, прошедших с момента образования минерала до наших дней.

Определив возраст минералов, можно узнать и возраст горных пород, включающих эти минералы. Такой метод дает возможность определить продолжительность отдельных геологических периодов, т. е. позволяет составить более полную хронологию геологической истории Земли и установить приближенный возраст земной коры и самой Земли. Все эти возрасты измеряются огромными отрезками времени — десятками, сотнями и тысячами миллионов лет.

Так распад природных долгоживущих радиоактивных элементов при определенных условиях дает в руки исследователей своеобразные «геологические часы» для измерения очень длительных периодов времени. Эти «часы» идут миллионы лет с неизменной точностью. Однако, чтобы пользоваться этими «часами», нужно иметь большие знания в области химии, физики, геологии и других наук.

Совсем недавно, несколько лет назад, ученые разработали новый метод определения возраста — углеродный метод. Этот метод также основывается на законе радиоактивного распада элементов. Сущность его состоит в следующем: под действием космических

лучей, вторгающихся в земную атмосферу из мирового пространства, в атмосфере происходят реакции, при которых одни химические элементы превращаются в другие.

В частности, атомы азота N14 превращаются в атомы особой разновидности углерода с атомным весом 14 (в то время как обычный углерод имеет атомный вес 12).

Этот космический «радиоуглерод» С14 отличается от обычного земного углерода тем, что он радиоактивен.

Радиоуглерод излучает частички бета (β) и превращается снова в азот.

Радиоуглерод не мог бы долго существовать на Земле и исчез бы полностью меньше чем за
50 тыс. лет, если бы его земной запас не пополнялся все время за счет космического новообразования его в верхней части земной атмосферы.

Таким образом, в природе совершаются два противоположных процесса: образование в

атмосфере С14 из азота и непрерывный распад С14 и обратное превращение его в азот. Оба эти процесса уравновешивают друг друга. Между разными формами углерода в природе происходит непрерывный углеродный обмен: радиоуглерод, образуясь в верхней части атмосферы, не остается в ней целиком, а распространяется по всей атмосфере и переходит в океан.

Растения, усваивающие углерод, также неизбежно должны содержать примесь этого радиоактивного углерода. Таким образом, углерод всех живых организмов содержит примерно такую же постоянную порцию примеси радиоуглерода (С14), как и углерод атмосферной углекислоты (СO2) и воды океанов, так как между всеми этими формами углерода в природе происходит непрерывный углеродный обмен. В отмершем органическом веществе, если оно каким-либо способом уцелеет от разрушения, углеродный обмен с атмосферной углекислотой (СO2) прекращается. Запас радиоуглерода больше не пополняется из атмосферы, и концентрация его начинает убывать.

«Радиоуглеродные часы» начинают отсчитывать время с момента отмирания организма, или, точнее, с момента прекращения углеродного обмена исследуемого объекта с земной атмосферой.

Если определить количество С14 в углероде живых растений или в атмосфере в настоящее время и сравнить его с количеством С14 в углероде ископаемой древесины или древесном угле, захороненном в геологических пластах, то можно вычислить их возраст, т. е. время, прошедшее с момента начала действия «углеродных часов». Чем больше прошло времени, тем меньше содержится С14 в ископаемых объектах.

Надо помнить, что радиоуглерод недолговечен по сравнению с такими долгоживущими элементами, как уран, торий, калий, рубидий. Поэтому углеродным методом можно определять только сравнительно молодые геологические и археологические находки — не старше 20-30 тыс. лет. В более древних объектах остается не более 3% начального количества радиоуглерода. Эта концентрация настолько мала, что не поддается измерению. «Углеродные часы» останавливаются.

Радиоуглеродный метод был проверен на археологических находках, даты которых были точно установлены историческими документами.

Ученые, например, определили углеродным методом возраст образцов дерева из гробниц и других памятников Египта и Сирии, и он приблизительно совпал с возрастом, который был установлен археологами и историками. В настоящее время этим методом широко пользуются, чтобы установить хронологию доисторического периода. Так были получены интересные материалы о времени расселения доисторического человека по материкам Евразии и Америки и была составлена хронология древних мало изученных культур, как алеутская, перуанская и др. Установлено, например, что начало последнего мощного наступления ледника в Северной Америке и в Европе происходило примерно И тыс. лет назад.

Схема кругооборота углерода в природе:
Схема кругооборота углерода в природе: Зона образования С14 в атмосфере. В океане и на суше зона распространения радиоуглерода С14 и непрерывного углеродного обмена. В почве, торфе, морском иле происходит распад радиоуглерода. Слои, где залегают нефть, уголь, известняки, лишены радиоуглерода, так как он распался.

Материалом для исследования при этом методе служат самые разнообразные предметы, содержащие углерод: остатки одежды, уголь древних очагов, изделия из дерева и коры, обожженные кости животных, пласты торфа, озерный ил и т. д.

Этот же метод применяется для изучения скорости отложения осадков в море и темпов перемешивания океанических вод. Для этого определяют содержание радиоуглерода в донных осадках и в морской воде.

Определение количества природного радиоуглерода — операция очень тонкая и сложная. Содержание его в обычном углероде ничтожно. Наибольшее содержание С14 в современном углероде не превышает 1,5 микрограмма в тонне. В древнем углероде концентрация С14 еще меньше, соответственно возрасту объекта. В мертвом органическом материале за каждые 5500 лет содержание С14 убывает вдвое. В древних ископаемых, таких, как каменный уголь, нефть, известняки и т. п., радиоуглерод полностью распался и исчез.

Количественное определение С14 в образцах производится после длительной химической подготовки, которая необходима для того, чтобы очистить углерод от всевозможных активных примесей. Определение С14 сводится к измерению радиоактивности выделенного углерода на специальной счетной установке, которая способна отсчитывать каждый распавшийся атом радиоуглерода в исследуемом образце. Для получения необходимой точности анализа его производят в течение долгого времени (около двух суток).

Появление углеродного метода обязано целиком успехам современной ядерной физики. Любопытно, что радиоуглерод был сперва получен искусственно в лабораторных условиях, при изучении ядерных реакций с нейтронами. Исследование условий появления С14 привело ученых к выводу, что радиоуглерод должен существовать и в природе, где имеет место процесс взаимодействия нейтронов с атмосферным азотом. Американский радиохимик Либби теоретически подсчитал, какое количество С14 должно быть в атмосфере, и пришел к выводу, что концентрация его хотя и чрезвычайно мала, но все же доступна для измерения современными радиометрическими средствами. В 1949 г. радиохимики Арнольд и Либби осуществили соответствующие проверочные измерения С14, и опыты подтвердили правильность их теоретического предположения. Несмотря на сложность исследований и ограниченность применения углеродного метода, в связи с тем, что возраст изучаемых объектов не должен превышать 20-30 тыс. лет, при помощи его уже получено много определений возраста.

Так человеческий гений все глубже проникает в явления природы и познает ее законы, а это дает возможность понять события, происходившие на земном шаре в очень и очень далекие времена.