Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
Встречающиеся в природе (естественные) радиоактивные элементы либо сами имеют очень большие времена жизни, либо являются членами ряда, в начале которого находится долгоживущий элемент. Среди тяжелых ядер с большим периодом полураспада отметим 238U, для которого ti/8=4,5-109 лет, 2S2Th с тд/2 = 1,4-1010 лет и i35U с Ti/2=7,13-108 лет. Самым долгоживущим членом семейства (4я+1) является изотоп нептуния 237Np (т,1,и=2,2-10° лет). В геологическом масштабе это время невелико, и поэтому семейство 4я+1 в природе не встречается, а является искусственно созданным.
Несколько естественных легких ядер также радиоактивны. Примерами служат P-активное ядро 40К, для которого т1/2 = 1,3-109 лет, и 87Rb с ti/2=4,7- !010 лет.
47. Явление естественной радиоактивности дает возможность определять возраст пород, т. е. время, протекшее с момента их последнего химического превращения. Принцип весьма прост. Определяется относительное число долгоживущего радиоактивного изотопа и стабильного конечного продукта распада в радиоактивном семействе, присутствующем в образце в качестве малой примеси. Рассмотрим, например, семейство урана — радия — свинца, которое начинается с 238U и кончается стабильным изотопом свинца 206РЬ. Допустим, что в данном образце мы обнаружили свинец, соответствующий N рь атомам, и уран, соответствующий N и атомам. Предположим, что все атомы свинца 206РЬ возникли от распада 23SU. Тогда можно написать:
Nu — М^е~Хт, NPb = N,(\~e->¦*), (47а)
где N о — число атомов 238U, существовавших в начале образования 290
породы; к— скорость распада урана; Т — возраст образца. Так как N0=Nu+Npb, то
elT=(NPb+Nv)/Nu] (47b)
зная к, можно найти Т. Разумеется, этот метод дает лишь верхний предел для Т, так как часть ядер 206РЬ, находящихся в образце сегодня, могла находиться в нем и в момент образования. Более мудрый подход к проблеме заключается в сравнении изотопического состава свинца в минералах, содержащих и не содержащих уран. Наш пример слишком упрощает дело, и мы привели его для иллюстрации принципа.
Другой метод определения возраста заключается в сравнении содержания гелия в породе с содержанием в ней урана. В каждом а-распаде возникает ядро гелия, и если мы уверены, что гелий не улетучивается из породы, то можно найти, сколько атомов урана распалось с момента образования породы, чтобы создать наблюдаемые в ней атомы гелия *).
С помощью подобных методов было показано, что возраст наиболее старых минералов Земли близок к 3 -109 лет. Эта величина является нижним пределом возраста Земли, так как ее оболочка в прошлом испытывала много химических превращений. Были изучены также и метеориты, возраст которых оказался близким к 4,6 • 109 лет. Как образовались метеориты, наверняка неизвестно, но существуют достоверные указания на то, что они образовались (кристаллизовались) примерно в то же время, что и остальные твердые тела Солнечной системы. Поэтому возраст Земли как твердого тела следует считать близким к 4,6-109 лет. С помощью радиоактивных «часов» можно оценить также время, протекшее между последним образованием химических элементов в метеорите и его кристаллизацией. Согласно одной из таких оценок **), это время близко к 0,35 • 10® лет. Отсюда следует, что последнее образование химических элементов в планетах и метеоритах произошло около 5 ¦ 109 лет назад. Это время и представляет собой оценку возраста нашей Солнечной системы.
48. Заманчиво продолжить наши рассуждения. Каков возраст Вселенной? Как образовались химические элементы? Мы не в состоянии рассмотреть здесь идеи, которые дают возможность оценить возраст Вселенной. Весьма правдоподобно, что ои близок к 10-109 лет, что по порядку величины близко к возрасту Солнечной системы.
Вероятно, химические элементы образовались из водорода в ядерных реакциях, происходивших в звездах. На рис. 48А при-
*) Первая оценка возраста Земли, основанная на явлении радиоактивности, была сделана Резерфордом (Rutherford Е. The Mass and Velocity of the a-Particles Expelled from Radium and Actinium.—¦ Phil. Mag., 1906, v. 12, p. 348). Резерфорд оценивает возраст исследованных им минералов в 400 миллионов лет.
**) Reynolds J. Н. Determination of the Age of the Elements.— Phys. Rev. Lett., 1960, v. 4, p. 8; см. также: Hohenberg С. М., Podesek F. A., Reynolds J. H., Xenon-Iodine Dating: Sharp Isochronism in Chondrites.— Science, 1967, v. 156, p. 202. В этих работах показано, что времена могут оказаться заметно меньшими.
291
ведены оценки распространенности химических элементов в Солнечной системе. Точки, соответствующие конкретным химическим элементам, получены в результате усреднения различных оценок, основанных на спектроскопическом определении относительной распространенности в солнечной атмосфере, определении относительной распространенности в метеоритах и на оценках химического состава оболочки Земли. Заметьте, что водород и в нашу
|Л?
