Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Измерив отношения ²³⁵U/²⁰⁷Pb и ²³⁸U/²⁰⁶Pb и отобразив их на горизонтальной и вертикальной осях графика, можно получить так называемую конкордию, или кривую времени. Поскольку нам известны периоды полураспада ²³⁸U (4,47 миллиарда лет) и ²³⁵U (710 миллионов лет), эти соотношения дают уникальный возраст. Например, если взять образец возрастом ровно 1 миллиард лет и начать с 1,0 грамма каждого изотопа Урана (в природе столько не найти, но в целях иллюстрации полезно), можно ожидать, что в образце все еще будет присутствовать (½)^{1/4,47 238}U, или 0,857 г, а вместе с этим накопится 0,143 г ²⁰⁶Pb, поэтому соотношение ²⁰⁶Pb/²³⁸U составит 0,167. Если бы мы измеряли ²³⁵U с его более коротким периодом полураспада, то осталось бы (½)^1/0,710, или всего 0,377 г, поэтому ожидаемое соотношение составит 1,65 (см. рис. 12.1).

Если часть Свинца со временем вытечет из образца, на конкордии, вопреки ожиданиям, это соотношение не отразится. Поскольку оба изотопа Свинца будут вытекать с одинаковой скоростью (здесь нет химической дискриминации), оба соотношения уменьшатся – количество Свинца будет ниже, чем ожидалось, но количество Урана останется неизменным. Поскольку ²³⁸U распадается медленнее, недостающий ²⁰⁶Pb даст более значительный дробный эффект, и измеренные значения окажутся еще ниже конкордии. Для различных образцов циркона, потерявших разное количество Свинца, на одной диаграмме можно построить линию «дискордии», или «несогласованности». Верхняя точка пересечения двух линий позволит оценить истинный возраст выборки.

Всего через несколько лет после открытия кратера Чикшулуб Т. Крог, С. Камо и Б. Бохор⁸ при помощи уран-свинцового метода измерили возраст кристаллов циркона, обнаруженных в пограничном слое K-Pg в Колорадо. У этих кристаллов просматривались серьезные деформации, вызванные ударными волнами. Их возраст был установлен на отметке 65,5 ± 3,0 млн лет, что соответствует более ранним оценкам, полученным при помощи калий-аргонового (см. ниже) и рубидий-стронциевого методов (см. гл. 14). Кроме того, исследователи выяснили, что первоначальное образование этих кристаллов циркона, возникших в результате столкновения на глубине около 30 км в земной коре, произошло 545 млн лет назад. Построив дискордию, ученые пришли к выводу, что во время выброса этих цирконов утекло некоторое количество Свинца, и предположили, что эта потеря была связана с нагревом кристаллов в облаке пламени, которое сопровождало удар, а потом подняло их на большую высоту, прежде чем в конечном итоге отбросить на тысячи километров.

Другой давний и в конечном счете более точный метод радиоактивного датирования основан на распаде Калия. Калий (символ элемента K) имеет два стабильных изотопа (³⁹K и ⁴¹K) и один радиоактивный изотоп природного происхождения ⁴⁰K с периодом полураспада 1,25 миллиарда лет. У него существует две формы распада: обратный бета-распад и распад с захватом электрона (см. гл. 6):

⁴⁰K → ⁴⁰Ca + e⁺ + v^e (89 %),

а также:

⁴⁰K + e^– → ⁴⁰Ar + v^e (11 %).

Аргон – один из благородных газов. Он не вступает ни в какие химические реакции и при земных температурах всегда находится в газообразном состоянии. Когда горная порода либо пребывает в форме горячей лавы, извергаемой из вулкана, либо оказывается расплавленной от жара, рожденного столкновением, газ, прежде захваченный в породе, может свободно улетучиться. Но по мере того, как порода затвердевает и блокирует все свои атомы, каждый захват электронов, производимый изотопом ⁴⁰K, приводит к тому, что одинокий атом газообразного Аргона попадает в клетку, выстроенную из окружающих молекул горной породы. В сущности, это позволяет нам применить простой метод «накопительных часов», описанный в главе 6. Простой подсчет количества атомов ⁴⁰K и ⁴⁰Ar и установление соотношения позволяет нам определить уникальную точку на кривой распада материнских ядер и накопления дочерних (см. рис. 6.6) и непосредственно установить возраст. Однако на практике это предполагает некоторые допущения и большую осторожность при проведении измерений.