Техника - молодёжи 1956-09, страница 14

„ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ЧАСЫ" - РЕГИСТРАТОРЫ ТЫСЯЧЕЛЕТИЙ • РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ-САМЫЕ ТОЧНЫЕ СЧЕТЧИКИ ВРЕМЕНИ

также подтверждают, что животный и растительный мир развивался на протяжении многих миллионов лет. Но палеонтология позволяет определять по остаткам животных и растений. Найденным в различных породах, только относительный возраст их. Учитывая, что в каждый период времени в прошлом существовали определенны» виды животных и растений, ученые составили шкалу относительных возрастов. По такой шкале можно узнать, какая из пород моложе, но точный возраст ее определить нельзя. К тому же для по-род, в которых не находили остатков костей, раковин или отпечатков растений, а особенно для древних пород, где эти остатки были уничтожены действием температуры и огромных давлений на глубине, этот метод был неприменим. Неприменим он также для определения возрастов пород, образовавшихся из расплавленной магмы: гранитое, диабазов и других пород, а также многих руд.

АТОМЫ ОТСЧИТЫВАЮТ ВРЕМЯ

Л ишь открытие радиоактивности — самопроизвольного распада атомов — впервые позволило достаточно точно определять возраст горных пород и даже попытаться вычислить возраст Земли. Дело я том, что за единицу времени всегда распадается определенная честь имеющегося радиоактивного элемента. Она называется постоянной распада и для разных элементов различна. Если определить, сколько всего распалось радиоактивного элемента, то, зная постоянную распада, легко вычислить время, в течение которого он продолжался.

Процесс распада радиоактивных элементов совершается с точностью, с которой может сравниться работа самых чувствительных приборов. Ни жара, ни холод, ни громадные давления, ни деже само время—-ничто не изменяет мерности геологических часов. . Но как же установить, какая часть радиоактивного элемента распалась? При распаде радиоактивный элемент превращается непосредственно или че-рез ряд промежуточных неустойчивых элементов в новый, устойчивый, атомы которого уже не являются радиоактивными. Так, уран превращается в свинец. Это очень медленный процесс: только через 4,5 млрд. лет количество урана уменьшится наполовину. Атомов устойчивого элемента образуется столько же, сколько распалось атомов первоначального. Следовательно, установив, сколько накопилось конечного элемента (свинца), можно узнать количество распавшегося урана. Чем раньше начался распад, тем больше накопится к настоящему времени атомов свинца и тем меньше сохранится урана. Основная сложность при таких исследованиях заключается в определении количества оставшегося первичного и накопившегося конечного элемента. Вычисление же возраста пород по этим двум величинам и постоянной распада не представляет трудностей.

СТРЕЛКИ ЗЕМНЫХ ЧАСОВ

На обычных часах время показывают их стрелки. А что же заменяет стрелки у радиоактивных земных часов?

Их роль выполняют приборы, с помощью которых исследуют минерал, чтобы узнать, сколько в нем содержится первичного и конечного элементов. Для определения возраста пород пригоден не всякий минерал, а только тот, в котором радиоактивный элемент

присутствует в повышенных количествах. В природ» известно всего около пятнадцати радиоактивных элементов. Наиболее распространенны» из них — уран, торий, калий, рубидий. У урана оба его природные изотопе —уран 235 и уран 238 — радиоактивны; у тория распадается его единственный изотоп, а у калия и рубидия ив нескольких существующих изотопов распадается только по одному, Это калий 40 и рубидий 87. Остальные их изотопы устойчивы.

Уран и торий превращаются в сей* нец, калий —в гвз аргон, а рубидий — в стронций.

Три способа определения геологического времени так и названы — урано-свинцовый (ториево-свинцовый), калий-аргоновый (сокращенно — аргоновый) и рубидиево-стронциевый, У каждого метода свои особенности. Поэтому для работы по одному методу применяют одни приборы, по другому — другие, то-есть для каждого типа земных часов имеются свои «стрелки».

Аргоновый метод был предложен советским ученым Э. К. Герлингом. Он основан на том, что ядро атома калия 40 может захватывать один электрон из ближайшей к ядру электронной оболочки. Такое превращение называется К-эехеатом. При этом атом калия превращается в атом аргона. Для анализа по аргоновому методу берут минералы, слюду или полевой шпат, содержащие много калия, так как радиоактивный изотоп его — калий 40 — составляет лишь 0,012% всей мессы калия. Этот минерал нагревают до 1200°. При такой температуре все газы, в том числе и аргон, выделяются из порошка минерала. С помощью ловушек и фильтров чистый аргон отделяют от других газов и измеряют его объем. Количество калия определяется химическим или спектральным способом. Зная постоянную распада калия 40, количество калия и образовавшегося из него аргона, по формулам вычисляют возраст минерала.

Аргоновый метод удобен тем, что полевой шпат и слюда встречаются во многих породах. Особенно много их в гранитах. Этим методом были исследованы граниты Карелии, Украины, Кавказа, Дальнего Востока и других районов Советского Союза. Оказалось, например, что граниты Приморья по возрасту разделяются на две группы: одна насчитывает 60—90 млн. лет, другая 170—250 млн. лет, Это согласуется и с данными геологов. В то же время граниты Карелии и Украины более древние: им от 1 400 до 1 800 млн. лет. Аргоновым же методом было установлено, что метеориты — гости из межпланетного пространства — в основном имеют возраст свыше 1 млрд., а очень часто даже и 3,5—4,5 млрд. лет.

УРАНОВЫ1 ЧАСЫ

Во многих рудных жилах и в тех же гранитах, которые изучались аргоновым методом, можно найти урановые и то-риевые минералы. Установив их возраст, можно попытаться проверить правильность определения по аргону. Для этого прежде всего необходимо узнать.

сколько урана и свинца находится в минерале. Раньше такой анализ проводился обычными химическими методами, различными для урана и свинца. Это было очень сложно. Сейчас с помощью осциллографичвского поляро-графа количество урана и свинца определяют быстро, с большой точностью и, главное, одновременно.

При этом используется свойство ионов урана и свинце изменять свой заряд под воздействием электрического поля. Так, ион свинца принимает два электрона и из четырехвалентного становится двухвалентным, или, как говорят, восстанавливается. Подобный процесс идет и с ураном. Но напряжение, при котором восстанавливается уран и свинец, различно.

Урановый минерал растворяют и в раствор опускают электроды, к которым приложено меняющееся напряжение. Не катоде нечинается восстановление урана, и так как с катода отбираются электроны, то в цепи появляется ток, а на экране осциллографа возникает изображение кривой, состоящей из двух волн. Одна волна соответствует урану, другая — свинцу. Высоты воли зависят от концентрации каждого из этих элементов в раствори. Сравнивая высоты волн с волнами, отвечающими известным концентрациям того и другого элемента, определяют содержание урана и свинца в растворе, а следовательно, и в минерале.

Однако определение общего количества урана и свинца еще недостаточно для установления возраста минерала. Из двух изотопов урана образуется два изотопа свинца —206 и 207, а при распаде тория —свинец 208. Каждый из этих видов свинца надо сопоставить с количеством нереслввшегося изотопа его материнского элемента: например, свинец 206 сопостевляется с ураном 238. Поэтому приходится определять количество каждого изотопа свинца. Все три его изотопа имеют одинаковые химические свойства, и отделить их друг от друга можно лишь с помощью специального прибора—масс-спектрометра.

В сильном электромагнитном поле изотопы распределяются соответственно их мессе: тяжелые отклоняются слабее, легкие — сильнее. Образуется спектр месс, подобно тому как белый луч света, пройдя через призму, разлагается на свои составные цвета.

Особые приборы автоматически записывают на бумажной ленте кривые, по которым определяют количество ионов каждого изотопа, поступившего в прибор. Определив изотопический состав свинца и количество н©распавшегося урана 235 и 238 (соотношение их постоянно), вычисляют возраст минерала.

Обычно в урановых минералах присутствует торий и ториевый свинец. С помощью этих элементов также можно установить возраст минерала. Ториевый свинец определяют на масс-спектрометре, а количество тория в минерале устанавливают химическим путем. Полученные разными способами данные сопоставляют. Иногда они не совпадают. Невольно возникает мысль, что «радиоактивным часам» не всегда можно доверять. Но ведь учеными твердо установлено, что скорость распада радиоактивного вещества по-

10