Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

В 1961 году физики и химики пришли к компромиссу, приняв за массовое число углерода–12 величину 12 и высчитав атомные веса всех остальных элементов относительно углерода–12. Как и хотели физики, отныне атомные веса были привязаны к массовому числу, то есть к постоянной величине. Более того, величины атомных весов элементов по новой системе практически не отличались от их химических атомных весов. Например, по новой системе атомный вес кислорода равнялся 15,9994, что всего лишь на 0,0037% меньше химического атомного веса кислорода. Атомные веса, приведенные в табл. 2, гл. 1, высчитаны относительно углерода–12.

Так как атомный вес является средним взвешенным массовых чисел встречающихся в природе изотопов, то можно говорить лишь об атомном весе примордиальных элементов, тех элементов, которые были на Земле с самого момента ее образования, то есть появились одновременно. Таких элементов всего 83, из них 81 стабильный элемент (с атомным весом от 1 до 83, исключая элементы с атомным весом 43 и 61) и два относительно стабильных элемента — уран и торий.

Элементы, образующиеся из урана и тория, являются изотопами, значение массовых чисел которых зависит от того, содержатся эти элементы в урановой или в ториевой руде. Высчитать среднее арифметическое таких чисел невозможно, поэтому нельзя определить и атомное число. В результате за атомный вес этих элементов (и других нестабильных элементов, речь о которых пойдет в следующей главе) принято считать массовое число изотопа с самым длительным периодом полураспада. В таблицах такие массовые числа обычно пишут в квадратных скобках, как, например, в табл. 10. Из приведенных в этой таблице изотопов радон и радий являются дочерними элементами уранового ряда, а франций, актиний и протактиний — актиниевого ряда. Эти 5 элементов встречаются в природе, в то время как полоний–209 и астатин–210 получены искусственным путем.

Таблица 10.

АТОМНЫЕ ВЕСА РАДИОАКТИВНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Химический элемент Массовое число изотопа с самым долгим периодом полураспада Период полураспада 84 — полоний [209] 103 года 85 — астатин [210] 8,3 часа 86 — радон [222] 3,8 дня 87 — франций [223] 22 минуты 88 — радий [226] 1 620 лет 89 — актиний [227] 21,2 года 91 — протактиний [231] 32 480 лет

Изотопы свинца поменяли не только представления химиков об атомных весах, но и представления геологов об истории Земли.

В 1907 году американский физик Бертрам Борден Болтвуд (1870–1927) предложил вычислять возраст полезных ископаемых по радиоактивным рядам.

Предположим, что столько-то лет назад под действием морской седиментации или вулканической активности на поверхности земли сформировался слой застывшей породы, содержащей уран или торий. Атомы урана или тория оказались внутри этого слоя «в ловушке». Атомы свинца, образующиеся в результате распада урана и тория, также окажутся «в ловушке».

На протяжении всего времени с момента отвердевания слоя породы атомы урана или тория будут распадаться, а содержание свинца соответственно увеличиваться. То есть со временем соотношение уран/свинец и торий/свинец в слое будет увеличиваться.

К этому времени Резерфорд уже разработал концепцию полураспада, поэтому стало ясно, что это соотношение будет увеличиваться с известной скоростью. Таким образом, зная величину соотношения урана/свинца или же тория/свинца в любой произвольный момент времени (например, в настоящий), можно вычислить, сколько прошло времени с момента застывания породы. А поскольку периоды полураспада урана–238 и тория–232 чрезвычайно длинные, можно определить возраст до нескольких миллиардов лет.

Основная сложность здесь заключалась в том, что не все атомы свинца, содержащиеся в породе, образовались в результате распада урана или тория, ведь их произвольная часть могла присутствовать в породе в момент застывания наравне с ураном и торием. Такой примордиальный свинец не имеет никакого отношения к распаду урана и тория и приводит к появлению серьезных ошибок при расчетах.

Проблему удалось обойти, определив с помощью масс-спектрографа относительное содержание свинца в нерадиоактивной породе. Выяснилось, что этот свинец состоит из четырех стабильных изотопов свинца с массовыми числами 204, 206, 207 и 208, причем свинец–204 достигает 1,48% (1/67,5 ) от общей массы.

К счастью, свинец–204 не является конечным продуктом ни одного из радиоактивных рядов, значит, на его содержание радиоактивность не влияет. Теперь, если определить содержание в радиоактивной породе свинца–204 и умножить это число на 67,5, то полученное значение будет являться общим количеством присутствующего в породе примордиального свинца. Все, что свыше, является свинцом, образовавшимся в процессе радиоактивного распада.

По соотношению урана/свинца (и учитывая содержание свинца–204) удалось обнаружить застывшие породы, возраст которых более 4 000 000 000. Это является лучшим доказательством того, что Земля образовалась миллиарды лет назад.

Конечно же уран и торий далеко не самые распространенные элементы, и породы с достаточным для точного определения возраста содержанием урана и тория можно обнаружить только в строго определенных местах. Однако определять возраст можно и по рубидию–87, и по калию–40. Оба этих элемента обладают длительным периодом полураспада и в природе встречаются гораздо чаше, нежели уран и торий. В случае с рубидием–87 определяется соотношение рубидий/стронций, так как стронций–87 является конечным продуктом распада рубидия–87. (Количество примордиального стронция определить невозможно, так как другие изотопы стронция, присутствующее в породе, в процессе радиоактивного распада не образуются.) Ученым удалось найти содержащие рубидий минералы, застывшие более 4 000 000 000 лет назад.

С калием–40 не все так просто. В большинстве случаев калий–40 распадается до кальция–40, но содержание кальция–40 в земной коре слишком высоко, чтобы отличить кальций–40, образовавшийся в процессе радиоактивного распада, от примордиального кальция–40. Однако определенное количество кальция–40 путем К-захвата превращается в аргон–40 (ниже).