Три вида частиц входят в состав атома, по крайней мере, как это представляется моделью Бора. Электроны мы уже встречали. Другие две частицы, значительно большие, чем электроны, но все же крошечные по сравнению с чем-либо, что мы можем представить или ощутить нашими чувствами, названы протонами и нейтронами, и они находятся в ядре. Они почти одинакового размера. Число протонов постоянно для любого конкретного элемента и равно числу электронов. Это число называется атомным номером. Это уникальная характеристика элемента, и нет никаких пробелов в списке атомных номеров — знаменитой периодической системы [Менделеева]. Каждому номеру в последовательности соответствует ровно один и только один элемент. Элемент с атомным номером 1 — водород, 2 — гелий, 3 — литий, 4 — бериллий, 5 — бор, 6 — углерод, 7 — азот, 8 — кислород, и так далее до таких больших чисел как 92, которое является атомным номером урана.
Протоны и электроны несут электрический заряд противоположного знака — мы называем один из них положительным, а другой отрицательным, в соответствии с произвольным соглашением. Эти электрические заряды важны, когда элементы формируют химические соединения друг с другом, главным образом посредством электронов. Нейтроны в атоме связаны в ядре с протонами. В отличие от протонов, они не несут заряда, и они не играют никакой роли в химических реакциях. Протоны, нейтроны и электроны в любом элементе точно такие же, как и в любом другом элементе. Нет такого понятия как протон золота, или электрон меди, или нейтрон калия. Протон — он везде протон, а то, что делает атом меди медью — то, что в нем ровно 29 протонов (и ровно 29 электронов). То, о чем мы обычно думаем как о природе меди, является вопросом химии. Химия — танец электронов. Она вся заключается во взаимодействии атомов через посредство своих электронов. Химические связи легко разрушаются и заново создаются, потому что только электроны отделяются или обмениваются в химических реакциях. Силы притяжения внутри атомных ядер гораздо труднее разорвать. Вот почему «расщепление атома» звучит так угрожающе, но это может происходить в «ядерных», в противоположность химическим, реакциях, и радиоактивные часы зависят от них.
У электронов незначительная масса, таким образом, полная масса атома, его «атомная масса», равна суммарному числу протонов и нейтронов. Обычно она чуть более чем вдвое превышает атомный номер, потому что, как правило, в ядре имеется несколько больше нейтронов, чем протонов. В отличие от числа протонов, число нейтронов в атоме не является диагностической чертой элемента. Атомы любого конкретного элемента могут быть в различных версиях, называемых изотопами, различающихся числом нейтронов, но всегда с одинаковым числом протонов. У некоторых элементов, таких как фтор, есть только один встречающийся в природе изотоп. Атомный номер фтора 9, а его атомная масса 19, из чего вы можете вывести, что у него 9 протонов и 10 нейтронов. У других элементов существует много изотопов. У свинца пять широко распространенных изотопов. Все они имеют одинаковое число протонов (и электронов), а именно 82, что является атомным номером свинца, но с атомной массой в диапазоне между 202 и 208. У углерода три изотопа, встречающихся в природе. Углерод-12 является обыкновенным углеродом с одинаковым количеством нейтронов и протонов — по 6. Существует также углерод-13, слишком короткоживущий, что-бы им заниматься, и углерод-14, который редок, но не слишком редок, чтобы быть полезными для датировки относительно молодых органических образцов, как мы увидим.
Теперь следующий важный теоретический факт. Некоторые изотопы являются стабильными, другие нестабильны. Свинец-202 является нестабильным изотопом; свинец-204, свинец-206, свинец-207 и свинец-208 — стабильными изотопами. «Нестабильный» означает, что атомы спонтанно распадаются в нечто другое, предсказуемыми темпами, хотя и в непредсказуемые моменты. Предсказуемость скорости распада — ключ ко всем радиометрическим часам. Другое слово для «нестабильного» — «радиоактивный». Существует несколько видов радиоактивного распада, пригодных в качестве часов. Для наших целей не важно понимать их, но я объясню их здесь, чтобы показать великолепный уровень детализации, которого физики достигли в изучении подобного рода вещей. Такие подробности проливают сардонический свет на отчаянные попытки креационистов подыскать оправдания свидетельствам радиоактивного датирования, и сохранить Землю молодой как Питер Пэн.
Во всех этих видах распада вовлечены нейтроны. При одном виде нейтрон превращается в протон. Это означает, что атомная масса остается та же (так как у протонов и нейтронов одинаковая масса), а атомное число повышается на единицу, таким образом, атом становится иным элементом, на один шаг правее в периодической системе. Например, натрий 24 превращается в магний 24. При другом виде радиоактивного распада происходит в точности обратное. Протон превращается в нейтрон. Снова, атомная масса остается та же самая, но на этот раз атомное число уменьшается на единицу, а атом становится следующим элементом левее в периодической системе. Третий вид радиоактивного распада имеет тот же результат. Залетный нейтрон ударяет ядро и выбивает один протон, занимая его место. Опять же, нет никаких изменений в атомной массе, и снова, атомный номер уменьшается на один, и атом превращается в следующий элемент левее в периодической системе. Существует также более сложный вид распада при которой атом испускает так называемую альфа-частицу. Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, склеенных вместе. Это означает, что атомная масса уменьшается на четыре, а атомный номер понижается на два. Атом превращается в тот элемент, который находится на две ячейки левее в периодической таблице. Пример альфа-распада — превращение очень радиоактивного изотопа урана 238 (с 92 протонами и 146 нейтронами) в торий 234 (с 90 протонами и 144 нейтронами).
Теперь мы приближаемся к сути всего дела. Каждый нестабильный или радиоактивный изотоп распадается со своей собственной характерной скоростью, которая точно известна. Кроме того, некоторые из этих скоростей значительно медленнее, чем другие.
Во всех случаях распад экспоненциальный. Экспоненциальный означает, что если вы начнете, скажем, со 100 граммов радиоактивного изотопа, то не будет так, что фиксированное количество, скажем в 10 граммов, превратится в другой элемент за данное время. Скорее, фиксированная доля того, что оставалось, превратиться во второй элемент. Общепринятой мерой скорости распада является «период полураспада». Период полураспада радиоактивного изотопа — время, затраченное на распад половины его атомов. Период полураспада одинаков, независимо от того, сколько атомов уже распалось — это означает экспоненциальный распад. Вы можете понять, что с таким последовательным располовиниванием, мы никогда, на самом деле, не узнаем, сколько надо, чтобы не осталось ничего. Однако, мы можем сказать, что после того, как пройдет достаточное количество времени — скажем десять полураспадов, число атомов, которое остается, является настолько маленьким, что, для практических нужд можно считать, что все распалось. Например, период полураспада углерода-14 составляет между 5000 и 6000 лет. Для образцов более старых, чем 50000-60000 лет, радиоуглеродное датирование бесполезно, и мы должны обратиться к более медленным часам.
Период полураспада рубидия-87 составляет 49 миллиардов лет. Период полураспада фермия-244 составляет 3,3 мс. Такие поразительные крайности служат иллюстрацией колоссального диапазона доступных часов. Хотя период полураспада углерода-15 в 2,4 секунды слишком короток для решения эволюционных вопросов, период полураспада углерода-14 в 5730 лет в самый раз для датирования в археологическом масштабе времени, к чему мы сейчас идем. Изотопом, часто используемым в масштабе эволюционного времени, является калий-40 с его периодом полураспада в 1,26 миллиарда лет, и я собираюсь использовать его в качестве своего примера для объяснения в целом идеи радиоактивных часов. Их часто называют калий-аргоновыми часами, потому что аргон 40 (он на единицу меньше в периодической системе) является одним из элементов, в которые распадается калий 40 (другим, в результате другого вида радиоактивного распада, является кальций 40, находящийся на единицу правее в периодической системе). Если начать с некоторого количества калия-40, то через 1260 миллионов лет половина калия-40 распадется в аргон-40. Это — то, что означает период полураспада. Еще через 1.26 миллиардов лет распадется половина того, что оставалось (четверть от исходного) и так далее. За промежуток времени более короткий чем 1.26 миллиарда лет, соответственно меньшее количество исходного калия распадется. Итак, представьте, что вы начинаете с некоторым количеством калия-40 в закрытом пространстве, без аргона 40. После того, как несколько сотен миллионов лет прошли, ученый наталкивается на то же самое замкнутое пространство и измеряет относительные пропорции калия 40 и аргона 40. Из этой доли, вне зависимости от абсолютных количеств, зная период полураспада калия-40 и предполагая, что аргона вначале не было, можно оценить время, прошедшее с момента запуска процесса, иными словами, с того времени, как часы «были обнулены». Заметьте, что мы должны знать соотношение родительского (калий 40) и дочернего (аргон 40) изотопов. Более того, как мы видели ранее в этой главе, необходимо, чтобы наши часы были обнулены. Но что имеется в виду, когда говорят о том, что радиоактивные часы были «обнулены»? Процесс кристаллизации придает этому смысл.
