Метеориты. Космические камни, создавшие наш мир

Невероятное разнообразие различных групп метеоритов сразу же заставляет усомниться в справедливости гипотезы «разрушенной планеты»: как могли такие разные типы метеоритов произойти из фрагментов одного и того же тела? В ответ можно было бы указать на разнообразие земных пород: в конце концов, разве не существуют здесь тысячи тысяч разновидностей камня, созданных геологическими силами, непрерывно формирующими облик нашей планеты? Ответ на вопрос о происхождении метеоритов находится внутри них самих. Но, чтобы прочесть его, нам придется воспользоваться одним из самых мощных инструментов космохимии: анализом изотопов.

Каждый атом – химический строительный кирпичик вещества – несет в себе плотное ядро, состоящее из двух видов субатомных частиц: протонов и нейтронов. Химическая природа атома определяется числом протонов, которое может варьировать от одного (водород, элемент номер один) до девяноста двух (уран, элемент номер девяносто два) в рамках периодической таблицы элементов. Элемент определяют именно протоны: например, неон всегда имеет десять протонов, железо – всегда двадцать шесть, платина – семьдесят восемь и так далее. Но номера периодической таблицы – это еще не все. Количество нейтронов в атомном ядре тоже может быть разным.

В отличие от протонов, несущих положительный электрический заряд, заряд нейтронов нулевой – поэтому они не оказывают заметного влияния на химическое поведение атома. Однако у нейтрона примерно такая же масса, как и у протона, и поэтому, если количество нейтронов в атомном ядре меняется, масса атома тоже изменится. Атомы одного и того же элемента с разным числом нейтронов в своих ядрах называются изотопами, от древнегреческих корней ἴσος(изо-), который значит «тот же», и τόπος (-топос

), означающего «место». Изотопы занимают «одно и то же место» в периодической таблице, так как они представляют собой атомы одного и того же элемента, отличающиеся только массой.

Элемент номер восемь

Неожиданный, быть может, факт: кислород, источник жизни, второй по обилию газ в атмосфере Земли, в большинстве камней является первым по обилию элементом. Это один из основных компонентов кристаллических структур, из которых состоит огромное количество породообразующих минералов. Поэтому в камнях у нас под ногами больше кислорода, чем в воздухе, которым мы дышим. Он в больших количествах присутствует и в метеоритах. Ему присуще уникальное сочетание важных химических свойств. Несомненно, кислород – один из важнейших для космохимии элементов, заслуживающий доверия и хорошо осведомленный рассказчик.

Кислород представлен в виде трех различных изотопов: кислород-16, кислород-17 и кислород-18; для краткости мы будем обозначать их 16O, 17O и 18O соответственно. По определению у каждого изотопа кислорода в ядре спрятано восемь протонов (кислород – элемент номер восемь в Периодической таблице), а вот число нейтронов различно: восемь у 16O, девять у 17O и десять у 18O. Все эти атомы – атомы кислорода, химически они идентичны, но, как всегда бывает с изотопами, имеют разную массу: 18O – самый тяжелый, а 16O – самый легкий из трех.

Самый распространенный изотоп кислорода – конечно, 16O. Если бы кто-нибудь сел и скрупулезно отсчитал 10 000 отдельных атомов кислорода, содержащихся в молекулах морской воды (H₂

O) из ведерка, все эти атомы, кроме примерно двадцати четырех, относились бы к виду 16O. Из этих двадцати четырех двадцать относились бы к 18O, и только последние четыре были бы атомами самого редкого из трех изотопов кислорода: 17O.

Относительные обилия трех изотопов кислорода немного отличаются от одного места на Земле к другому – на очень незначительные, но все же вполне измеримые величины. Например, когда вода нагревается, – скажем, если перед вами чашка горячего чая, – легкие изотопы испаряются из нее быстрее, чем тяжелые. Получается, что водяной пар, поднимающийся с поверхности чая, когда тот испаряется, – а вода, H₂O, как мы знаем, содержит кислород – будет немного обогащен изотопами 16O и (в меньшей степени) 17O по сравнению с водой, оставшейся в чашке. Более легкий 16O испаряется скорее, чем 17O, а 17O, в свою очередь, немного быстрее, чем 18O.

По сути, испарение 17O по сравнению с 16O происходит вдвое быстрее, чем испарение 18O по сравнению с 160, так как разность масс между ¹⁷O и ¹⁶

O вдвое меньше разности масс между ¹⁸O и ¹⁶O.[2]

Схематический график изотопов кислорода, обычно используемый в космохимии. Смеси ¹⁶O, ¹⁷O и ¹⁸O во всех субстанциях на Земле – от океанской воды до воздуха и камня – укладываются на линию земного фракционирования. Субстанции с астероидов, комет и других планет на эту прямую не укладываются.