Terni_Kosti_skalyi_i_zvezdyi._Nauka_o_tom_kogda_chto_proizoshlo.395719 - Крис Терни

Большей частью число протонов, нейтронов и электронов находится в равновесии, обеспечивая стабильность атома. Несмотря на то что определяю­щим для элемента является число протонов, у одного и того же элемента может существовать несколько разновидностей, различающихся количеством ней­тронов, — такие разновидности называются изото­пами. В этом случае буквенное обозначение остает­ся неизменным, а вот массовое число меняется. Так, у водорода имеется стабильный изотоп под названи­ем «дейтерий» с одним протоном и одним нейтроном, который записывается как 2Н. Однако с увеличением числа нейтронов стабильность элемента снижается. Достигнув критической точки, атом распадется, ис­пуская определенный вид частиц или форм энергии, в стремлении к стабильности. Еще один изотоп водорода, тритий, ядро которого состоит из одного прото­на и двух нейтронов, обозначается как 3Н — он крайне нестабилен и не может не распадаться.

Наши представления о радиоактивности сложи­лись относительно недавно. Лишь в 1895 г. немецкий ученый Вильгельм Рентген открыл новый тип лучей, впоследствии получивших название рентгеновских, вызывающих свечение бумаги, обработанной специ­альным покрытием. В 1896 г. французский физик Анри Беккерель обнаружил, что такие же лучи испускаются солями урана. В 1898 г. Пьер и Мари Кюри, польско-французская чета ученых, отметив подобное явление у тория, ввели термин «радиоактивность». Исследуя радиоактивность другого минерала — уранита, урано­вой руды, Кюри обнаружили, что он выделяет больше энергии, чем чистый уран, и сделали вывод, что в руде должны присутствовать и другие радиоактивные элементы. Супруги переработали тонны урановой руды, которая даже после добычи из нее урана по-прежнему оставалась радиоактивной. К 1902 г. Кюри сумели вы­делить два неизвестных ранее радиоактивных элемен­та — полоний и радий. Внезапно оказалось, что радио­активность повсюду.

В 1903 г. Мари и Пьер Кюри поделили Нобелевскую премию по физике с Беккерелем. Вскоре после этого, в 1906 г., Пьер Кюри скончался, попав из-за сильного головокружения под конный экипаж, что, скорее все­го, было следствием многолетней подверженности об­лучению. В 1911-м Мари Кюри получила свою вторую Нобелевскую премию, по химии, за исследования ра­дия и дожила до 1934., скончавшись в возрасте 67 лет. Умерла она от лейкемии, спровоцированной лучевой болезнью. Ее лабораторные записи по-прежнему так радиоактивны, что их приходится хранить в свинцо­вом сейфе. Открытия, сделанные супругами Кюри, заложили фундамент для теории относительности, атомной и квантовой физики, а также, несомненно, революционизировали наши методы уточнения дат прошлого.

На их открытии строится также радиоуглеродное датирование, в основу которого положено измерение содержания в веществе радиоактивного изотопа углерода, меняющееся со временем. Современный угле­род представлен в основном двумя самыми распро­страненными своими разновидностями — 12С и 13С. Это стабильные формы: 12С — самая простая, состоит из шести протонов и шести нейтронов, а 13С чуть тя­желее, поскольку в нем на один нейтрон больше. Од­нако нас интересуют не они, а радиоактивная форма, 14С, известная под названием «радиоуглерод». Это не­стабильная комбинация из шести протонов (которые и обеспечивают ей свойства углерода) и 8 нейтронов. Радиоуглерод крайне редок, он составляет всего одну триллионную от всего современного углерода на планете. Представьте себе каплю воды, растворенную в олимпийском плавательном бассейне, — соотноше­ние примерно таково.

К великим, которые поставили радиоактивность на службу датирования прошлого, мы обратимся чуть позже (в главе 11), а сейчас перенесемся в середину 1940-х. Именно тогда американский химик Уиллард Либби выдвинул предположение, что незначительные количества радиоуглерода поступают из верхних сло­ев атмосферы. Согласно гипотезе Либби, высокоэнергетичные частицы, формирующиеся в дальнем космо­се, — так называемые космические лучи — достигая нашей планеты, вступают во взаимодействие с газо­образным азотом, содержащимся в атмосфере, и в ре­зультате образуется радиоуглерод. Этот радиоуглерод моментально превращается в углекислый газ CO2, который затем поглощают растения в процессе фото­синтеза. Растения впоследствии становятся кормом для травоядных, которые в свою очередь поедаются хищниками, и происходит передача атомов радио­углерода по пищевой цепи. Таким образом, наличие радиоуглерода в живых организмах на Земле должно соответствовать его концентрации в атмосфере. Од­нако когда организм умирает, некоторые атомы 14С начинают распадаться, отдавая электроны и обра­зуя азот (см. рис. 3.1). Либби считал, что, зная изна­чальное содержание радиоуглерода, можно измерить остаточное содержание 14С в образце и высчитать его возраст. Примерно то же самое, что определить, сколь­ко прошло времени по оставшемуся в верхней колбе песочных часов количеству песка.

К концу 1940-х Либби и его коллегам удалось по­казать, что содержание радиоуглерода в атмосфере одинаково во всем мире и что 14С можно использо­вать для датирования любых органических веществ.

Рис. 3.1. Образование радиоуглерода и его распределение в окружающей среде

Вскоре они уже проводили первые независимые экс­перименты по определению возраста, измеряя оста­точное содержание радиоуглерода в образцах. Наука обрела метод радиоуглеродного анализа.

Ключевым для него является скорость, с которой распадается нестабильный атом, — от чего зависит период полураспада. В отличие от живых организмов, которым все чаще удается доживать до старости, ра­диоактивный изотоп может погибнуть в любой мо­мент. Это всего лишь вопрос вероятности. Период полураспада — время, за которое изначальное коли­чество изотопа уменьшится наполовину. У каждого конкретного изотопа оно свое: чем менее стабильна комбинация протонов и нейтронов, тем короче пери­од полураспада. Чтобы не рассуждать абстрактно, да­вайте проиллюстрируем принцип на вымышленном примере. Представьте, что у экспериментатора в ла­боратории имеется килограммовый образец радио­активного изотопа с периодом полураспада пять ми­нут. В первые пять минут образец начнет распадать­ся буквально на глазах: останется всего 500 грам­мов. Еще через пять минут от него останется лишь 250 граммов. Еще через пять минут — 125. За период полураспада количество действительно уменьшается ровно наполовину. Так будет продолжаться до тех пор, пока через 10 таких периодов от образца практически ничего не останется и измерять экспериментатору бу­дет нечего.

Из этого следует, что метод радиоуглеродного ана­лиза не позволяет проникнуть назад во времени даль­ше, чем на десять периодов полураспада. Чем длиннее период полураспада, тем более далекое прошлое под­властно методу датирования. Ценой огромных уси­лий ученые добиваются в лабораториях идеальной стерильности, сводя к минимуму возможные радио­активные загрязнения, чтобы можно было подвергнуть анализу даже самые крошечные и древние образцы. Для радиоуглеродного анализа диапазон составляет 40 000-60 000 лет, в зависимости от вида анализируе­мого материала и предела чувствительности лабора­торных приборов.

По результатам первоначальных измерений Либби установил, что период полураспада радиоуглерода со­ставляет чуть больше 5720 лет. Однако вслед за ним радиоуглеродом, который стал популярным пред­метом исследований в 1950-е, занялись другие уче­ные. Они определили период полураспада в 5568 лет, что отличалось от результатов, полученных Либби. Эта разница в 3% весьма существенна для конечной дати­ровки. Результаты Либби были признаны ошибочны­ми, и в качестве периода полураспада радиоуглерода приняли цифру 5568 лет.

К сожалению, теперь нам известно, что на самом деле этот период составляет 5730 лет (рис. 3.2) — практически в полном соответствии с результатами расчетов Либби. Однако, когда ошибку поняли, соч­ли, что исправлять ее уже поздно: слишком много проведено расчетов на основе ошибочной цифры. Поэтому — и по прихоти истории — пользуются по-прежнему периодом полураспада 5568 лет. В до­вершение путаницы и несправедливости он называ­ется «периодом полураспада по Либби». На практи­ке же, как мы скоро увидим, радиоуглеродный возраст нужно конвертировать в календарную систему изме­рения и тем самым корректировать разницу. К сча­стью, все лаборатории пользуются одним и тем же показателем для периода полураспада, поэтому пока нас интересует только радиоуглерод, полученные по­казатели возраста можно сравнивать между собой на­прямую.

Рис. 3.2. Кривая распада радиоуглерода

Примечание: Форма кривой одинакова для всех радиоактивных изотопов

 В радиоуглеродном датировании принято не­сколько важных допущений: во-первых, приходит­ся исходить из того, что содержание 14С в атмосфере не менялось со временем; во-вторых, что содержание радиоуглерода в организмах живых существ одина­ково и совпадает с его концентрацией в атмосфере; в-третьих, что после смерти количество радиоуглеро­да в образце не увеличивается. В некоторых случаях, однако, эти допущения нарушаются, поэтому надо с осторожностью подходить и к измерениям, и к ин­терпретации результатов.