Путешествие в страну РАИ - Дмитрий Николаевич Трифонов

минералов. Он претерпевает своеобразный радиоактивный распад, который в ядерной физике носит название К-захвата и заключается в поглощении ядром калия 40 электрона с близлежащей электронной оболочки. При этом заряд атома понижается на единицу и образуется изотоп инертного газа аргона Ar40. В аргоне атмосферного воздуха наряду с изотопами Ar36 и Ar38 содержится Ar40, который, по-видимому, весь или почти весь произошел вследствие распада калия 40.

А теперь о возрасте нашего камня. Он осколок горной породы, содержащей калий. Условимся, что весь аргон, получившийся в результате распада калия 40, остается внутри образца, а не улетучивается Кроме того, мы вводим поправку на возможное содержание в образце атмосферного аргона.

Анализируем наш камень на содержание K и Ar. Учтя введенную поправку, определяем содержание радиогенного аргона. Отсюда находим количество калия, которое успело распасться со времени образования горной породы. Зная, сколько калия содержится в образце, рассчитываем, какая часть этого элемента распалась. Теперь, использовав величину полураспада K40, определяем возраст.

— Эх, Илья, а зря ты не литератор, — вздохнул Алеша. — У тебя не рассказ получился, а законченная новелла!

— А может, и незаконченная! — сказала Майка. — Илья, а вот если у тебя порода, в которой нет ни урана, ни тория, ни калия, как ты определишь ее возраст?

— Сейчас разрабатываются и другие методы. Применяют так называемый стронциевый метод. Он состоит в определении количества стронция, который образуется из радиоактивного изотопа рубидия 87. Есть попытки установить абсолютный возраст минералов по парам изотопов так называемых редкоземельных элементов: самарий 147 — неодим 143; лантан 138 — церий 138, лютеций 176 — иттербий 176. И, несомненно, число таких способов будет расти с каждым годом…

Маршрут второй

Когда догорела свеча, мы легли спать. Засыпали, надеясь, что к утру непогода утихнет. Но природа, видимо, крепко хотела нам насолить, и когда забрезжил рассвет, маленькое окошко избушки было на три четверти засыпано снегом. Помещение за ночь основательно простыло. Вылезать из теплых спальных мешков и разжигать печку не хотелось.

— Опять двадцать пять! — разочарованно произнес Олег, прислушиваясь к посвисту ветра. — Зимовка продолжается…

— Хотите я зачитаю вам потрясающий документ! — подал голос из своего угла Илья. — Цитирую по памяти: «В течение первой декады февраля малооблачная погода без осадков. Температура днем минус десять — минус двенадцать, ночью до двадцати — двадцати пяти градусов мороза».

— Это что, анекдот? — спросила Наташа.

— Отнюдь! Это выдержка из долгосрочного прогноза, который я имел честь достать в Москве перед походом. Совпадение, как видите, блистательное!

Алеша сердито засопел:

— Я еще не видел организации, которая бы столь бессовестно и столь постоянно вводила в заблуждение миллионы граждан. Неужели нельзя научиться точно предсказывать погоду. Хотя бы с помощью этих самых радиоактивных изотопов.

— Ты зря горячишься! — возразил я. — Предсказание погоды — дело исключительно сложное, и ошибки и случайности здесь неизбежны. А что касается изотопов, то здесь ты угодил в самую точку. Можно с их помощью определять погоду. Пока, к сожалению, не на завтрашний день, а ту, которая была миллионы и сотни миллионов лет назад.

— Толя, ты, часом, не угорел ночью? — участливо спросила Майка.

— Начальник говорит истину! — торжественно воскликнул Илья. — Есть такая наука — палеоклиматология! Изучение климата древности. В ней большую роль играет изотоп кислорода O18. Это его самый тяжелый изотоп. Впрочем, Анатолий, рассказывай. «Продолжим наши игры», как говорил Остап Бендер.

Изотопы и климат прошлого

— Наверное, всем известно, — заговорил я, — что многие десятки миллионов лет назад на месте, где теперь находится Московская область, плескалось море. И жили в этом море особые моллюски — белемниты, раковины которых сохранились до наших дней в виде так называемых чертовых пальцев. Но пока маленькое отступление.

В науке существует процесс, носящий название изотопного обмена. Суть его в том, что распределение изотопов одного и того же элемента между разными химическими соединениями может изменяться.

Объяснение явления просто: химические свойства изотопов элемента бесконечно близки, но не тождественны. Есть некоторые отличия, они и проявляются в изотопном обмене.

Вот пример.

В нашем распоряжении вода, но не обычная, а составленная из двух атомов водорода и одного атома так называемого «тяжелого» кислорода, то есть его изотопа с атомным весом 18. Формула такой воды запишется, как H2O18.

Будем пропускать через эту воду обычный молекулярный кислород O216. Получится система, состоящая из воды и растворенного в воде кислорода:

O216 + H2O18.

Оказывается, что в этом случае произойдет изотопный обмен: атомы О16 будут замещать атомы О18 в молекуле воды.

А вот как запишется реакция:

O216 + 2H2O18↔O218 + 2H2O16.

Расчеты показывают, что эта обратимая реакция лучше идет слева направо, или, как говорят химики, равновесие реакции сдвинуто вправо. Иными словами, О16 охотнее входит в состав воды, чем остается в виде молекулярного кислорода.

Можно подсчитать величину отношения:

(О16/О18) воды к (О16/О18) молекулярного кислорода.

При 25 °C оно равно 1,041, а при 100 °C составит 1,005. Эта величина называется постоянной равновесия и зависит от температуры.

Эта зависимость лежит в основе так называемого геологического термометра. Но как с помощью такого термометра определять температуру?

Есть другая реакция изотопного обмена:

CaCO316 + 3H2O18↔CaCO318 + 3H2O16.

Она подчиняется тем же закономерностям, что и предыдущая.

Теперь маленький экскурс в область геологии.

CaCO3, карбонат кальция, — это известняк, относящийся к так называемым осадочным породам. Они являются отложениями древних морей. Раковины низших организмов — также известняк. Обломки таких раковин часто попадаются при исследовании отложений. Когда-то организмы, которым принадлежали раковины, жили в морях. Они использовали в качестве «строительного материала» именно CaCO3, содержащийся в морской воде. И чем выше была температура воды, тем больше O18 входило в их состав.

Достаточно определить изотопный состав кислорода в отложениях известняка, в различных их слоях, чтобы установить температуру «рождения» и «роста» раковин. Значит, мы имеем реальную возможность судить о температурах в невообразимо далеком прошлом.

Точность метода потрясающая: плюс-минус полградуса!

Так какая же температура была в районе нынешней Московской области сто пятьдесят миллионов лет назад?

На этот вопрос отвечают белемниты.

В учебнике геологии можно прочесть: «Белемниты известны с триасового периода, достигли расцвета в юрский и меловой периоды, к началу третичного периода вымерли».

В учебнике найдется