Андрей Несмеянов - Радиоактивные изотопы и их применение

Описанным методом можно определить возраст пород, заключающих в себе соединения углерода, которые образовались в результате отмирания растений или животных, если их возраст не превышает нескольких десятков тысяч лет. Это ограничение связано с тем, что через 60 тысяч лет, то есть через время, равное 10 периодам полураспада, от имевшегося в образце количества атомов радиоактивного углерода остается лишь тысячная доля и обнаружить ее будет практически невозможно.

Исследование истории образования земли и горных пород, залежей и минералов, изучение богатств недр нашей планеты — вот те необъятные задачи, которые входят в предмет изучения геологии.

Меченые атомы нашли большое применение в исследованиях геологов. В этом разделе будет рассказано о применении радиоактивных изотопов в геологии.

Геологические часы.Радиоактивные атомы могут быть использованы для определения возраста горных пород. «Геологическими часами» является соотношение урана и свинца в урановых рудах. Природный уран состоит из трех изотопов с массовыми числами 234, 235 и 238. Уран с массовым числом 234 называется ураном вторым. Он получается из урана первого, массовое число которого 238, в результате ряда превращений, показанных на рис. 5. Дальнейший распад приводит к образованию устойчивого изотопа свинца. Другой изотоп урана — уран 235 (актиноуран) не связан с рядом урана 238, но также в результате ряда превращений переходит в свинец.

Соотношение количества изотопов в природном уране, а следовательно, и в урановой руде соответствует 99,28% урана 238, 0,714% урана 235 и 0,006% урана 234. Но это соотношение миллиард лет назад было иным, так как скорости распада урана 235 и урана 238 различны. Образование свинца из урана происходит чрезвычайно медленно, так как периоды полураспада урана 238 и урана 235 очень велики. За 900 миллионов лет количество атомов урана 235 уменьшилось в два раза, а от имевшегося количества урана 238 осталось 86%. За 2 миллиарда лет количество урана 235 уменьшилось в 4,65 раза, а количество урана 238 — в 1,36 раза. Следовательно, природная смесь урана, находящаяся в настоящее время в земной коре, получилась из урана 238 и урана 235.

Накопление свинца в урановой руде подчиняется закону радиоактивного распада. Расчет показывает, что за один миллион лет из 1 грамма природной смеси изотопов урана образуется 0,000137 грамма свинца, а за 10 миллионов лет — 0,00136 грамма свинца. Если учесть изменение соотношения изотопов в смеси с течением времени, то можно рассчитать количество свинца, которое могло образоваться из урана и за более продолжительное время. Можно решить и обратную задачу: определить количество урана и свинца в урановой руде и по соотношению этих количеств рассчитать время, прошедшее с момента образования руды. В этих рассуждениях предполагается, что весь свинец, который находится в урановой руде, образовался из урана.

Эта интересная задача решается следующим образом.

Кусочек урановой руды растворяется в смеси кислот. Из полученного раствора свинец осаждается химическим путем. Но весь свинец выделить очень трудно. Как же узнать, какое количество свинца было в руде? Для этого приходится использовать меченые атомы. Перед осаждением свинца к раствору урановой руды добавляется ничтожное по весу количество радиоактивного изотопа свинца — радия D. Радий D — продукт распада радия. Он имеет период полураспада, равный 22 годам. Химические свойства радия D и свинца одинаковы. И если из раствора выделяется, допустим, одна двадцатая часть всего прибавленного радия D, то и свинца выделяется такая же часть. Определить относительное количество радия D в растворе и в осадке легко по радиоактивности. Зная соотношение между растворенным и выделенным радием D и определив количество выделенного свинца, рассчитывают его общее количество, а затем вычисляют время образования уранового минерала. Если этот минерал образовался вместе со всей массой земной коры, то тем самым определяется возраст земной коры. По таким подсчетам возраст земной коры равен приблизительно 4 миллиардам лет.

Определение геологического возраста можно производить не только по свинцу. При переходе урана в свинец в цепи превращений выделяется 8 альфа-частиц (8 атомов гелия). За один год из одного грамма урана образуется 1,1∙10 -7кубических сантиметров гелия. Гелий скапливается в урановой руде и может быть из нее извлечен. Определив количество гелия в руде, можно рассчитать время, прошедшее с момента образования урановой руды. Однако такой расчет менее точен, чем по свинцу, так как газообразный гелий частично теряется минералами.