Кости, скалы и звезды. Наука о том, когда что произошло

Наши представления о радиоактивности сложились относительно недавно. Лишь в 1895 г. немецкий ученый Вильгельм Рентген открыл новый тип лучей, впоследствии получивших название рентгеновских, вызывающих свечение бумаги, обработанной специальным покрытием. В 1896 г. французский физик Анри Беккерель обнаружил, что такие же лучи испускаются солями урана. В 1898 г. Пьер и Мари Кюри, польско-французская чета ученых, отметив подобное явление у тория, ввели термин «радиоактивность». Исследуя радиоактивность другого минерала — уранита, урановой руды, Кюри обнаружили, что он выделяет больше энергии, чем чистый уран, и сделали вывод, что в руде должны присутствовать и другие радиоактивные элементы. Супруги переработали тонны урановой руды, которая даже после добычи из нее урана по-прежнему оставалась радиоактивной. К 1902 г. Кюри сумели выделить два неизвестных ранее радиоактивных элемента — полоний и радий. Внезапно оказалось, что радиоактивность повсюду.

В 1903 г. Мари и Пьер Кюри поделили Нобелевскую премию по физике с Беккерелем. Вскоре после этого, в 1906 г., Пьер Кюри скончался, попав из-за сильного головокружения под конный экипаж, что, скорее всего, было следствием многолетней подверженности облучению. В 1911-м Мари Кюри получила свою вторую Нобелевскую премию, по химии, за исследования радия и дожила до 1934., скончавшись в возрасте 67 лет. Умерла она от лейкемии, спровоцированной лучевой болезнью. Ее лабораторные записи по-прежнему так радиоактивны, что их приходится хранить в свинцовом сейфе. Открытия, сделанные супругами Кюри, заложили фундамент для теории относительности, атомной и квантовой физики, а также, несомненно, революционизировали наши методы уточнения дат прошлого.

На их открытии строится также радиоуглеродное датирование, в основу которого положено измерение содержания в веществе радиоактивного изотопа углерода, меняющееся со временем. Современный углерод представлен в основном двумя самыми распространенными своими разновидностями — ¹²C и ¹³C. Это стабильные формы: ¹²C — самая простая, состоит из шести протонов и шести нейтронов, а ¹³C чуть тяжелее, поскольку в нем на один нейтрон больше. Однако нас интересуют не они, а радиоактивная форма, ¹⁴C, известная под названием «радиоуглерод». Это нестабильная комбинация из шести протонов (которые и обеспечивают ей свойства углерода) и 8 нейтронов. Радиоуглерод крайне редок, он составляет всего одну триллионную от всего современного углерода на планете. Представьте себе каплю воды, растворенную в олимпийском плавательном бассейне, — соотношение примерно таково.

К великим, которые поставили радиоактивность на службу датирования прошлого, мы обратимся чуть позже (в главе 11), а сейчас перенесемся в середину 1940-х. Именно тогда американский химик Уиллард Либби выдвинул предположение, что незначительные количества радиоуглерода поступают из верхних слоев атмосферы. Согласно гипотезе Либби, высокоэнергетичные частицы, формирующиеся в дальнем космосе, — так называемые космические лучи — достигая нашей планеты, вступают во взаимодействие с газообразным азотом, содержащимся в атмосфере, и в результате образуется радиоуглерод. Этот радиоуглерод моментально превращается в углекислый газ CO₂, который затем поглощают растения в процессе фотосинтеза. Растения впоследствии становятся кормом для травоядных, которые в свою очередь поедаются хищниками, и происходит передача атомов радиоуглерода по пищевой цепи. Таким образом, наличие радиоуглерода в живых организмах на Земле должно соответствовать его концентрации в атмосфере. Однако когда организм умирает, некоторые атомы ¹⁴C начинают распадаться, отдавая электроны и образуя азот (см. рис. 3.1). Либби считал, что, зная изначальное содержание радиоуглерода, можно измерить остаточное содержание ¹⁴C в образце и высчитать его возраст. Примерно то же самое, что определить, сколько прошло времени по оставшемуся в верхней колбе песочных часов количеству песка.

К концу 1940-х Либби и его коллегам удалось показать, что содержание радиоуглерода в атмосфере одинаково во всем мире и что ¹⁴C можно использовать для датирования любых органических веществ.

Рис. 3.1. Образование радиоуглерода и его распределение в окружающей среде

Вскоре они уже проводили первые независимые эксперименты по определению возраста, измеряя остаточное содержание радиоуглерода в образцах. Наука обрела метод радиоуглеродного анализа.