Метеориты. Космические камни, создавшие наш мир

Время течет, и атомные часы «тикают»: количество родительского изотопа в породе уменьшается (ведь он распадается), а новорожденный «потомок» постоянно накапливается. Точно измеряя количество изотопа-«потомка» в камне, мы можем вычислить количество «тиканий» атомных часов, а значит, и возраст камня. По соглашению, время мы в таких случаях отсчитываем назад от сегодняшней эпохи.

Урановый хронометр

Чтобы верно датировать события, которые разворачивались на определенной шкале времени, необходимо правильно выбрать радиоактивные часы. Точно так же мы поступаем и в жизни – для разных целей нам требуются различные измеряющие время устройства. Никто не станет отмечать время варки яйца по висящему на стене календарю или пользоваться секундомером, чтобы узнать, какой сейчас месяц.

Природа снабдила нас радиоактивными атомными часами, хорошо приспособленными для датировки процессов, которые в прошлом разворачивались на протяжении миллиардов лет. Их основа – элемент номер девяносто два, уран. Скорость его распада идеальна для датировки времени образования пород на самом раннем этапе формирования Солнечной системы.

Атом урана, как и любого другого радиоактивного изотопа, в каждую секунду с определенной вероятностью может распасться. Эта вероятность неизменна, она всегда имеет строго определенное значение, что и делает радиоизотопы столь надежным хранителем времени. При распаде ядра обоих изотопов урана – урана-238 (238U) и урана-235 (235U) – разрушаются с образованием новых, более легких изотопов другого знакомого нам элемента: свинца, элемента номер восемьдесят два.

Принцип действия урановых часов отличается изысканностью и легкой запутанностью. Ядро атома 238U распадается с образованием определенного изотопа свинца: ²⁰⁶Pb. А чуть менее массивный представитель уранового семейства, ²³⁵

U, при распаде дает другой изотоп свинца: ²⁰⁷Pb. Оба эти изотопа свинца не радиоактивны: они устойчивы и, однажды образовавшись, существуют вечно. Вдобавок у свинца есть еще один устойчивый изотоп, который, в отличие от ²⁰⁶Pb и

²⁰⁷Pb, не образуется при радиоактивном распаде: ²⁰⁴Pb. Как и его устойчивые собратья, ²⁰⁴Pb может существовать вечно, и то его количество, которое присутствует в только что образовавшейся каменной породе, фиксировано раз и навсегда. А вот количества 206Pb и 207Pb переменны – они непрерывно растут по мере того, как уран с одной и той же скоростью распадается.

Распад обоих изотопов урана идет ужасно медленно. Если у вас есть очень маленькая кучка урана – 100 атомов 235U, то приготовьтесь ждать 700 миллионов лет, пока половина ее распадется и превратится в 207Pb. А в такой же щепотке 238U половина атомов превратится в 206Pb еще в шесть с лишним раз медленнее – за четыре с половиной миллиарда лет! Именно поэтому урановый хронометр идеален для датировки событий, происходящих на огромных временных интервалах.

Итак, в любой скальной породе 206Pb и 207Pb состоят из смеси двух видов свинца: исходного, который попал в нее при формировании, и появившегося в результате распада урана. Если мы измерим количество избыточного 206Pb и 207Pb, накопленного в камне с момента его образования, мы сможем вычислить его возраст. Исходный свинец мы называем «первичным», а продукт распада «радиогенным».

Как ни важна для нас Земля, в контексте всей Солнечной системы это всего лишь еще один камень, правда, большой и со своими причудами. Каменные породы Земли, как и астероидов, содержат смесь двух типов 206Pb и 207Pb: первичного свинца, присутствовавшего в пылевой туманности и подвергшегося процессу слипания, и радиогенного, накопившегося при распаде урана за геологическое время. Если бы мы измерили состав смеси свинцовых изотопов на сегодняшней Земле и на Земле, только что сформировавшейся (первичный свинец), различие между ними дало бы нам количество радиогенного свинца, которое накопилось за это время. Тогда можно было бы сосчитать, сколько раз оттикали урановые часы с тех пор, как Земля образовалась. Зная скорость, с которой уран преобразуется в свинец – частоту тикания урановых часов, – мы бы вычислили время, в течение которого они тикали, а это и дало бы нам возраст Земли. И самый главный вопрос человечества – откуда мы появились? — после 200 тысячелетий размышлений обрел бы точку отсчета.

Но проблема с измерением состава первичной свинцовой смеси в том, что на Земле эту смесь нам получить неоткуда. При образовании нашей планеты в нее попало огромное количество урана; поэтому тот свинец, который сейчас присутствует в земных породах, представляет собой неразделимую смесь первичной и радиогенной составляющих. Кроме того, на протяжении своей длинной геологической истории вещество Земли постоянно бурлило, кипело и взбалтывалось, и в его составе непрерывно перемешивались химические элементы и их изотопы. Первичный свинец смешивался с радиогенным снова и снова, и изначальный состав этой смеси утрачен навсегда.