Самое грандиозное шоу на Земле: доказательства эволюции - Докинз Ричард - Страница 21

Масса электрона пренебрежимо мала, поэтому общая масса атома – его массовое число – равна суммарному числу протонов и нейтронов в ядре. Как правило, массовое число чуть более чем вдвое превосходит порядковый номер элемента, поскольку нейтронов обычно чуть больше, чем протонов. В отличие от числа протонов, число нейтронов не определяет, к какому элементу относится атом. Атомы любого элемента могут существовать в различных вариантах, именуемых изотопами, у которых одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. У некоторых элементов, например фтора, имеется только один природный изотоп. Фтор – элемент с порядковым номером 9 и массовым числом 19. Отсюда следует, что ядро атома фтора состоит из девяти протонов и десяти нейтронов. Другие элементы, однако, имеют множество изотопов. У свинца пять широко распространенных изотопов. Все они имеют одно и то же число протонов и электронов (82 – атомное число свинца) и массовое число (от 202 до 208). Углерод имеет три природных изотопа. Углерод-12 – самый распространенный, он имеет по шесть протонов и нейтронов. Реже встречается углерод-13. Углерод-14 тоже редок, но его все же достаточно для использования в датировании образцов органического происхождения.

Одни изотопы стабильны, другие – нет. Свинец-202 нестабилен. Стабильными являются: свинец-204, свинец-206, свинец-207 и свинец-208. Нестабильность означает, что атомы данного изотопа спонтанно распадаются с образованием других атомов. Распадаются они с известной скоростью, но момент начала распада непредсказуем. Именно предсказуемость скорости распада служит основой радиоактивных “часов”. Нестабильные изотопы иначе называют радиоактивными. Существует несколько видов радиоактивного распада, каждый из которых имеет ценность в качестве “часов”. Нам не требуется понимание этих механизмов, но я постараюсь объяснить их, чтобы показать замечательный уровень детализации, которого физики достигли в ходе изучения этого вопроса. Этот уровень детализации придает комический оттенок попыткам креационистов доказать ненадежность радиометрического метода датирования и сохранить Землю вечно молодой, как Питер Пэн.

Все механизмы радиоактивности зависят от поведения нейтронов. Первый тип представляет собой превращение нейтрона в протон. Это означает, что массовое число не изменяется (поскольку масса протонов и нейтронов, как мы помним, одинакова), а атомное число увеличивается на единицу. Таким образом, атом превращается в другой элемент, на один дальше в периодической таблице. Например, атом натрия-24 становится атомом магния-24. В другом механизме протон превращается в нейтрон. Массовое число не изменяется, а атомное уменьшается на единицу, и в периодической таблице атом перемещается на клетку назад. Третий механизм, когда свободный нейтрон ударяет в ядро атома, выбивает один протон и занимает его место, приводит к такому же результату. Массовое число не изменяется, атомный номер уменьшается на единицу.

Более сложный тип распада связан с испусканием ядром альфа-частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов. При альфа-распаде, таким образом, массовое число уменьшается на четыре, а атомное – на два. Атом переходит в химический элемент, находящийся на две позиции позади в периодической таблице. Примером такого распада может служить превращение радиоактивного изотопа уран-238 (92 протона, 146 нейтронов) в торий-234 (90 протонов, 144 нейтрона).

Подходим к сути. Все нестабильные изотопы распадаются с постоянной, хорошо известной скоростью. Более того, скорость распада некоторых изотопов существенно меньше, чем у других. Распад во всех случаях описывается экспонентой. Это значит, что если в начале эксперимента есть 100 г радиоактивного изотопа, то за единицу времени в другой химический элемент будет превращаться не фиксированное количество изотопа (скажем, 10 г), а строго определенная доля оставшегося количества. Здесь следует сказать о так называемом периоде полураспада – времени, за которое распадается половина атомов радиоактивного изотопа. Период полураспада не изменяется в зависимости от того, сколько атомов распалось прежде – это и означает, что процесс идет экспоненциально. Естественно, что при таком последовательном “ополовинивании” мы никогда не узнаем наверняка, что атомов начального элемента не осталось. Тем не менее, мы можем сказать, что спустя некоторое достаточно долгое время – например, десять периодов полураспада – останется так мало атомов исходного элемента, что в практических целях этим количеством можно пренебречь. Например, период полураспада углерода-14 составляет 5730±40 лет. Следовательно, для ископаемых образцов старше 50–60 тысяч лет радиоуглеродное датирование не подходит, и необходимо пользоваться более медленными “часами”.

Период полураспада рубидия-87 составляет 49 миллиардов лет, фермия-244–3,3 миллисекунды. Впечатляет, не так ли? Этот разброс прекрасно отражает спектр доступных нам радиометрических методов датирования. Несмотря на то, что время полураспада углерода-15, составляющее 2,4 секунды, слишком коротко для прояснения вопросов эволюции, углерод-14 с его 5730 годами отлично подходит для датирования археологических находок. В датировке палеонтологических находок часто используется калий-40 (период полураспада 1,26 миллиарда лет), и я воспользуюсь им в качестве примера для объяснения принципа работы радиоактивных “часов”. Часы, “работающие” на калии-40, часто называют калий-аргоновыми, поскольку именно аргон-40, находящийся в периодической таблице элементов клеткой раньше, является продуктом распада калия-40. Также калий-40 путем другого типа радиоактивного распада может превращаться в кальций-40, стоящий в таблице Менделеева на клетку правее.

Предположим, что в начале эксперимента у нас есть некоторое количество калия-40. Исходя из периода полураспада, через 1,26 миллиарда лет половина этого калия-40 превратится в аргон-40. Спустя еще 1,26 миллиарда лет в аргон превратится половина остатка, то есть четверть начального количества, и так далее. К любому моменту времени, меньшему 1,26 миллиарда лет, в аргон превратится соответствующая часть начального количества калия-40. Теперь представьте, что мы помещаем некоторое количество калия-40 в закрытый контейнер, в котором нет аргона-40. Спустя несколько сотен миллионов лет к контейнеру приходит ученый и измеряет соотношение калия-40 и аргона-40. Исходя из этого соотношения и зная, что аргона-40 в начале эксперимента не было, даже при неизвестном начальном количестве калия-40 можно вычислить, сколько времени прошло с момента начала распада, то есть с “обнуления” радиоактивных “часов”. Нам необходимо и достаточно знать только соотношение родительских (калий-40) и дочерних (аргон-40) изотопов. Кроме того, как мы уже обсуждали, необходимо, чтобы “часы” обнулялись. Как это может произойти? Ответ дает понимание процесса кристаллизации.

Как и все радиоактивные “часы”, используемые геологами, калий-аргоновые часы работают только на магматических породах. Магматические породы образуются при затвердевании расплавленной породы – подземной магмы (гранит) или вулканической лавы (базальт). Когда расплавленная порода застывает, она кристаллизуется. Обычно это некрупные прозрачные кристаллы наподобие кварца – как правило, они слишком малы, чтобы без помощи микроскопа распознать в них кристаллы. Кристаллы бывают разные, и некоторые из них (например, слюда) содержат атомы калия. Среди этих атомов есть и атомы радиоактивного изотопа калий-40. В момент образования кристалла, когда затвердевает расплавленная порода, аргона в ней нет, и, соответственно, “часы” обнуляются. Проходят миллионы лет, атомы калия-40 постепенно распадаются и заменяются в кристалле на атомы аргона-40. Количество образовавшегося аргона-40 соответствует времени, прошедшему с момента образования породы. Но, как я отмечал выше, имеет смысл не количество аргона, а только соотношение числа атомов калия и аргона. В момент обнуления “часов” соотношение составляло 100 % в пользу калия-40. Через 1,26 миллиарда лет соотношение будет равно 50 %, еще через 1,26 миллиарда лет – 25 %, и так далее. Промежуточные значения будут соответствовать промежуточным значениям времени, прошедшего с момента обнуления “часов”. Таким образом, геолог, измеряя соотношение между калием-40 и аргоном-40 во фрагменте вулканической породы, может определить, как давно эта порода кристаллизовалась. Как правило, вулканические породы содержат не только калий-40, но и другие радиоактивные изотопы. Весьма удачно, что вулканические породы застывают почти мгновенно – следовательно, все радиоактивные “часы” в куске породы обнуляются одновременно.