Одни изотопы стабильны, другие — нет. Свинец-202 нестабилен. Стабильными являются: свинец-204, свинец-206, свинец-207 и свинец-208. Нестабильность означает, что атомы данного изотопа спонтанно распадаются с образованием других атомов. Распадаются они с известной скоростью, но момент начала распада непредсказуем. Именно предсказуемость скорости распада служит основой радиоактивных «часов». Нестабильные изотопы иначе называют радиоактивными. Существует несколько видов радиоактивного распада, каждый из которых имеет ценность в качестве «часов». Нам не требуется понимание этих механизмов, но я постараюсь объяснить их, чтобы показать замечательный уровень детализации, которого физики достигли в ходе изучения этого вопроса. Этот уровень детализации придает комический оттенок попыткам креационистов доказать ненадежность радиометрического метода датирования и сохранить Землю вечно молодой, как Питер Пэн.
Все механизмы радиоактивности зависят от поведения нейтронов. Первый тип представляет собой превращение нейтрона в протон. Это означает, что массовое число не изменяется (поскольку масса протонов и нейтронов, как мы помним, одинакова), а атомное число увеличивается на единицу. Таким образом, атом превращается в другой элемент, на один дальше в периодической таблице. Например, атом натрия-24 становится атомом магния-24. В другом механизме протон превращается в нейтрон. Массовое число не изменяется, а атомное уменьшается на единицу, и в периодической таблице атом перемещается на клетку назад. Третий механизм, когда свободный нейтрон ударяет в ядро атома, выбивает один протон и занимает его место, приводит к такому же результату. Массовое число не изменяется, атомный номер уменьшается на единицу.
Более сложный тип распада связан с испусканием ядром альфа-частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов. При альфа-распаде, таким образом, массовое число уменьшается на четыре, а атомное — на два. Атом переходит в химический элемент, находящийся на две позиции позади в периодической таблице. Примером такого распада может служить превращение радиоактивного изотопа уран-238 (92 протона, 146 нейтронов) в торий-234 (90 протонов, 144 нейтрона).
Подходим к сути. Все нестабильные изотопы распадаются с постоянной, хорошо известной скоростью. Более того, скорость распада некоторых изотопов существенно меньше, чем у других. Распад во всех случаях описывается экспонентой. Это значит, что если в начале эксперимента есть 100 г радиоактивного изотопа, то за единицу времени в другой химический элемент будет превращаться не фиксированное количество изотопа (скажем, 10 г), а строго определенная доля оставшегося количества. Здесь следует сказать о так называемом периоде полураспада — времени, за которое распадается половина атомов радиоактивного изотопа. Период полураспада не изменяется в зависимости от того, сколько атомов распалось прежде — это и означает, что процесс идет экспоненциально. Естественно, что при таком последовательном «ополовинивании» мы никогда не узнаем наверняка, что атомов начального элемента не осталось. Тем не менее, мы можем сказать, что спустя некоторое достаточно долгое время — например, десять периодов полураспада — останется так мало атомов исходного элемента, что в практических целях этим количеством можно пренебречь. Например, период полураспада углерода-14 составляет 5730±40 лет. Следовательно, для ископаемых образцов старше 50–60 тысяч лет радиоуглеродное датирование не подходит, и необходимо пользоваться более медленными «часами».
Период полураспада рубидия-87 составляет 49 миллиардов лет, фермия-244–3,3 миллисекунды. Впечатляет, не так ли? Этот разброс прекрасно отражает спектр доступных нам радиометрических методов датирования. Несмотря на то, что время полураспада углерода-15, составляющее 2,4 секунды, слишком коротко для прояснения вопросов эволюции, углерод-14 с его 5730 годами отлично подходит для датирования археологических находок. В датировке палеонтологических находок часто используется калий-40 (период полураспада 1,26 миллиарда лет), и я воспользуюсь им в качестве примера для объяснения принципа работы радиоактивных «часов». Часы, «работающие» на калии-40, часто называют калий-аргоновыми, поскольку именно аргон-40, находящийся в периодической таблице элементов клеткой раньше, является продуктом распада калия-40. Также калий-40 путем другого типа радиоактивного распада может превращаться в кальций-40, стоящий в таблице Менделеева на клетку правее.
Предположим, что в начале эксперимента у нас есть некоторое количество калия-40. Исходя из периода полураспада, через 1,26 миллиарда лет половина этого калия-40 превратится в аргон-40. Спустя еще 1,26 миллиарда лет в аргон превратится половина остатка, то есть четверть начального количества, и так далее. К любому моменту времени, меньшему 1,26 миллиарда лет, в аргон превратится соответствующая часть начального количества калия-40. Теперь представьте, что мы помещаем некоторое количество калия-40 в закрытый контейнер, в котором нет аргона-40. Спустя несколько сотен миллионов лет к контейнеру приходит ученый и измеряет соотношение калия-40 и аргона-40. Исходя из этого соотношения и зная, что аргона-40 в начале эксперимента не было, даже при неизвестном начальном количестве калия-40 можно вычислить, сколько времени прошло с момента начала распада, то есть с «обнуления» радиоактивных «часов». Нам необходимо и достаточно знать только соотношение родительских (калий-40) и дочерних (аргон-40) изотопов. Кроме того, как мы уже обсуждали, необходимо, чтобы «часы» обнулялись. Как это может произойти? Ответ дает понимание процесса кристаллизации.
Как и все радиоактивные «часы», используемые геологами, калий-аргоновые часы работают только на магматических породах. Магматические породы образуются при затвердевании расплавленной породы — подземной магмы (гранит) или вулканической лавы (базальт). Когда расплавленная порода застывает, она кристаллизуется. Обычно это некрупные прозрачные кристаллы наподобие кварца — как правило, они слишком малы, чтобы без помощи микроскопа распознать в них кристаллы. Кристаллы бывают разные, и некоторые из них (например, слюда) содержат атомы калия. Среди этих атомов есть и атомы радиоактивного изотопа калий-40. В момент образования кристалла, когда затвердевает расплавленная порода, аргона в ней нет, и, соответственно, «часы» обнуляются. Проходят миллионы лет, атомы калия-40 постепенно распадаются и заменяются в кристалле на атомы аргона-40. Количество образовавшегося аргона-40 соответствует времени, прошедшему с момента образования породы. Но, как я отмечал выше, имеет смысл не количество аргона, а только соотношение числа атомов калия и аргона. В момент обнуления «часов» соотношение составляло 100 % в пользу калия-40. Через 1,26 миллиарда лет соотношение будет равно 50 %, еще через 1,26 миллиарда лет — 25 %, и так далее. Промежуточные значения будут соответствовать промежуточным значениям времени, прошедшего с момента обнуления «часов». Таким образом, геолог, измеряя соотношение между калием-40 и аргоном-40 во фрагменте вулканической породы, может определить, как давно эта порода кристаллизовалась. Как правило, вулканические породы содержат не только калий-40, но и другие радиоактивные изотопы. Весьма удачно, что вулканические породы застывают почти мгновенно[53] — следовательно, все радиоактивные «часы» в куске породы обнуляются одновременно.
Радиоактивные «часы» существуют только в породах вулканического происхождения, в которых почти никогда не бывает окаменелостей. Ископаемые остатки живых существ сохраняются в осадочных породах — известняках и песчаниках, которые не имеют отношения к лаве. Осадочные породы — слои грязи, ила, песка, постепенно накапливающиеся на дне моря, озера или залива. Проходят эпохи, и слои песка и грязи слеживаются, становясь твердыми как камень. Остатки живых существ, похороненные в иле, имеют шанс окаменеть. Окаменевают далеко не все остатки, но только осадочные породы содержат окаменелости, о которых вообще есть смысл разговаривать.
К сожалению, датировка осадочных пород радиометрическим методом невозможна. Вероятно, отдельные песчинки и частицы ила, из которых формируются осадочные породы, содержат калий-40 и другие радиоактивные изотопы и, таким образом, имеют встроенные радиоактивные «часы». Однако этими «часами» нельзя пользоваться, поскольку они не обнуляются (или обнуляются в разное время). С точки зрения датировщика, осадочная порода — настоящий хаос, пользоваться ею нельзя. Лучшее, что мы можем сделать — и это совсем не так плохо! — это определить возраст вулканических пород, обнаруживаемых рядом с исследуемой осадочной породой или включенных в нее.
Чтобы определить возраст находки, она необязательно должна быть заключена между слоями вулканической породы, как ветчина в сандвиче. По всему миру встречаются очень похожие слои осадочных пород. Задолго до возникновения радиометрических методов датирования эти слои были идентифицированы и названы: кембрий, ордовик, девон, юра, мел, эоцен, олигоцен, миоцен. Девонские осадочные породы обнаруживают не только в Девоншире, графстве на юго-западе Англии, но и в других частях света. Они похожи друг на друга и содержат сходные наборы ископаемых. Порядок, в котором откладывались эти осадочные слои, известен геологам очень давно. До изобретения радиоактивных «часов» мы не знали только, когда именно возник каждый слой. По порядку их можно расставить хотя бы потому, что старшие слои залегают глубже молодых. Так, девонские отложения старше карбоновых (названных так потому, что в карбоновых отложениях обнаруживается каменный уголь). Мы знаем это потому, что в тех частях света, где эти слои встречаются вместе, девонский слой расположен под карбоновым (за исключением регионов, где мы на основании других признаков можем сказать, что осадочные слои были смяты, наклонены или даже перевернуты). Как правило, мы не настолько удачливы, чтобы найти полную последовательность слоев от кембрия до современности. Но благодаря тому, что слои легко узнаваемы, вы можете прослеживать цепочки из последовательных слоев по всему миру, сравнивать их между собой и таким образом устанавливать их взаиморасположение.
