Биохимическое предопределение - Кеньон Д.
Скачать (прямая ссылка):
87Rb
(3-Частицы
87Sr.
ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ 69
Тяжелые радиоактивные элементы уран и торий присутствуют в небольших, но
измеримых количествах во многих, минералах, а в некоторые из них они
входят в качестве основных компонентов; так, U02 и Th02 составляют
главную часть уранита [3, 13]. С точки зрения проблемы абсолютного
возраста нас будут интересовать три изотопа этих элементов, а именно 235U
(период полураспада т = 0,7 млрд. лет), 23SU (т = 4,5 млрд. лет) и 232Th
(т — 13,9 млрд лет) [12]. Каждый из этих изотопов служит исходным
элементом в характерной сложной последовательности процессов
радиоактивного распада, завершающихся образованием стабильных изотопов
свинца. Схема всех трех процессов представлена на фиг. 10.
В принципе все вышеупомянутые радиоактивные изотопы мы вправе
использовать в качестве своего рода геологических часов, по которым можно
определять абсолютный возраст изверженных пород и руд, содержащих эти
изотопы. Они претерпевают превращение, которое в настоящее время умеют
легко обнаруживать, а именно радиоактивный распад, приводящий к
непрерывному накоплению идентифицируемых стабильных дочерних продуктов.
Несмотря на то что скорость распада некоторых изотопов чрезвычайно мала,
она может быть точно измерена с помощью соответствующего электронного
оборудования.
Для того чтобы понять, как этот метод применяют на практике, рассмотрим
пример с черной слюдой гранитов — биотитом [10]. Биотит богат калием. В
узлах его кристаллической решетки, занятых атомами калия, преобладает
изотоп 39К, имеющий стабильное ядро. Однако в немногочисленных узлах
присутствует радиоактивный изотоп 40К. В течение любого заданного
промежутка времени, скажем 1000 или 1 000 000 лет, определенное число
атомов 40К подвергается спонтанному распаду с образованием атомов 40Аг и
40Са, которые остаются фиксированными в исходных узлах кристаллической
решетки. Доля числа распадов, приводящих к образованию 40Аг, со временем
не меняется и равна 12% [10, 12]. С течением времени за счет распада 40К
происходит накопление двух дочерних продуктов. Для установления возраста
требуется просто определить содержание в образце 40К и 40Аг (как мы
увидим далее, определять количество 40Са в минерале не обязательно).
Такого рода измерения можно произвести очень точно методом масс-
спектрометрии при условии, что опасность загрязнения образца 40Аг из
воздуха будет сведена к минимуму [10]. Далее, необходимо вывести
математическое уравнение, связывающее количества материнских и дочерних
элементов в образце породы с ее абсолютным возрастом. Для этого
рассмотрим сначала общий закон радиоактивного распада:
P(t)=P(0)e~M,
(1)
Атомный вес
Т1 Pb Bi Ро Ra Ra Ac Th Ра U
А Атомный номер и символ
Атомный номер и символ
232 228 224 ц 220 45 216
В
212
208
.. Г
81 82 83 84 85 86 87
р-Распад (потеря электрона)
89 90 91 92
-L.
TL РЬ Bi Ро Rn Ra Ac Th Ра U
Атомный номер и символ
Ф и г. 10. Схемы распада естественных радиоактивных элементов в ряда?
урана, актиния и тория.
А — семейство ураиа I; Б — семейство актиния; В — семейство тория.
ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕАШЕ ^\
где P(t) — число атомов (в данном образце минерала с известной массой)
материнского радиоактивного изотопа, оставшегося в кристаллической
решетке минерала по прошествии времени t после кристаллизации магмы; Р(0)
— число атомов материнского изотопа, присутствовавших в минерале в момент
его кристаллизации; время t идентично абсолютному возрасту образца
минерала. Постоянная радиоактивного распада к связана с периодом
полураспада соотношением к — In 7Т. Закон радиоактивного распада просто
описывает тот экспериментальный факт, что за равные промежутки времени в
дочерние продукты превращается постоянная доля имеющихся радиоактивных
атомов. Далее мы будем обозначать дочерние продукты общим символом D.
Если принять, что наш образец представлял собой замкнутую систему все
время своего существования (т. е. что он не терял и не приобретал никаких
атомов материнских или дочерних изотопов или каких-либо промежуточных
изотопов — для случая распада урана и тория), то общее число материнских
и дочерних атомов можно считать постоянным и написать следующее
уравнение:
Р(0)=Р(/) + ДД (2)
где AD — общее число атомов дочерних элементов радиогенного
происхождения, образовавшихся за все время существования образца.
Теперь обратимся к интересующему нас конкретному методу датировки,
основанному на распаде 40К. В данном случае AD складывается как из атомов
40Аг, так и из атомов 40Са. Но мы знаем, что доля распадов, приводящая к
образованию 40Аг, постоянна и составляет 12%, следовательно, мы можем
написать
ADA=0,12[P(0)-P(t)], (3)
где ADa — число атомов 40Аг, образовавшихся радиогенно за время
существования минерала. Член, заключенный в квадратные скобки, обозначает
число атомов 40К, претерпевших радиоактивный распад. Решая уравнение (1)
относительно Р(0) и подставляя результат в уравнение (3), получаем
