Кирилл Еськов - Доказательства эволюции

Однако решение проблемы стабильности Солнца на протяжении сотен миллионов лет стало не единственным и даже не главным подарком ядерных физиков геологам. Ядерная физика нашла геохронометр, идеально отвечающий требованиям принципа актуализма — процесс, работающий на протяжении длительных эпох «как часы», в буквальном и переносном смысле слова! Таким процессом оказался радиоактивный распад . В отличие от уже упомянутых здесь термоядерного синтеза и деления тяжелых ядер, как правило, требующих особых условий для своего протекания (сверхвысоких температур, наличия критической массы делящегося материала и др.), радиоактивный распад спонтанен (самопроизволен). При радиоактивном распаде нестабильное материнское ядро, называемое радионуклидом , превращается в дочерний нуклид (дочерний нуклид может быть как стабилен, так и сам радиоактивен. Во втором случае говорят о цепочках радиоактивного распада ( радиоактивных семействах ), имеющий большую энергию связи, нежели материнский, при этом избыток энергии, как правило, уносится с ионизирующим излучением . В зависимости от типа радиоактивного распада это могут быть ядра гелия ( альфа-излучение ), электроны или позитроны ( бета-излучение ), или фотоны с длиной волны порядка 10 -10м и менее ( гамма-излучение ).

В соответствии с законами квантовой механики, переход от материнского нуклида к дочернему является случайным процессом (о случайных процессах см. главу « Эволюция, случайность, энтропия«), время которого не предопределено начальными условиями. Конфигурация нуклонов в материнском и дочернем нуклиде определяет лишь среднее время жизни радионуклида, а также пропорциональный этой величине период полураспада — время, за которое число радионуклидов в образце уменьшается вдвое. Природа щедро одарила земную кору и мантию радионуклидами, период полураспада которых может достигать многих миллиардов и даже десятков миллиардов лет.

Образуются такие радионуклиды (как правило, тяжелые) путем нейтронного захвата на последней стадии эволюции звезд — при т. н. взрывах сверхновых . В противоположность интуитивным понятиям, историческим термином «взрыв сверхновой» обозначают не начало, а конец эволюции звезды. После выгорания водорода и гелия звезда «сбрасывает» свою атмосферу, при этом наблюдатель с Земли видит вспышку от светящегося газа, превосходящую по яркости звезду до взрыва (как будто «новую звезду не небе»).

Эти радионуклиды (в основном изотопы тяжелых элементов — урана и тория, а также калий-40) вносят существенный вклад в тепловой баланс земных недр (вспомним, что слишком быстрое их остывание составляло в XIX веке проблему для Кельвина; другой важный, но тоже не учтенный Кельвином источник — гравитационная дифференциация вещества в мантии и ядре Земли).

Изотопами элемента Z называются нуклиды, имеющие одинаковое число ( Z ) протонов, но разное число нейтронов. Таким образом, изотопы различаются атомной массой , например, стабильный углерод-12 и радиоактивный углерод-14, или уран-235 и уран-238, важные для радионуклидного датирования.

Помимо этого, радионуклиды предоставили геологам практически единственный способ судить об абсолютном возрасте пород и абсолютной продолжительности геологических эпох, «проставить даты на палеонтологической летописи». Из-за того, что период полураспада является внутренним свойством спонтанного перехода между состояниями ядра, на него не влияют внешние по отношению к ядру условия, как-то температура, давление, химическое соединение и агрегатное состояние вещества, в которое входят радионуклиды и т. д.

Существенной, а в большинстве случаев главной, проблемой на заре ядерной геохронологии была неизвестность начального содержания, а также выноса и привноса в последующее время материнского и дочернего нуклидов, что делало какие-либо оценки возраста пород крайне затруднительными. В каких-то случаях выручить может то, что дочерний нуклид, как при превращении калия-40 в аргон-40, является газом, который покидает расплав породы при извержении лавы. Однако методы, предполагающие отсутствие дочернего нуклида на момент образования породы, не вполне надежны, особенно для недавно извергшихся пород, так как даже небольшие добавочные количества дочернего нуклида могут привести к огромной погрешности в результате.

К наиболее надежным методам датировок, не только не требующим отсутствия дочернего нуклида, но и имеющим «внутреннюю защиту от ошибок», относятся так называемые методы изохрон . Эти методы основаны на анализе содержания трех нуклидов — материнского радионуклида ( M ), дочернего радиогенного нуклида ( D 1), а также другого, нерадиогенного ( D 2), изотопа того же элемента, что и дочерний нуклид D 1— в разных образцах породы, отличающихся по содержанию материнского нуклида М . На момент кристаллизации расплава породы разные ее образцы могут отличаться по химическому (элементному) составу, однако изотопный состав каждого из элементов будет одинаков для разных образцов (ибо химические свойства элемента мало зависят от изотопа данного элемента). Поэтому изохрона — линия, выражающая зависимость отношения концентраций [ D 1]/ [ D 2] от [ M ]/ [ D 2] — будет в этот момент прямой, параллельной оси абсцисс (см. рис. 1, круги). По мере превращения нуклида M в нуклид D 2изохрона будет продолжать оставаться прямой (чем больше ядер M содержал образец в начальный момент, тем больше в нем будет накапливаться ядер D 1со временем); и угол ее наклона будет показывать нам возраст породы (рис. 1, треугольники и квадраты). Если же с течением времени будет иметь место вынос или привнос какого-либо из нуклидов ( M, D 1или же D 2), то изохрона перестает быть прямой линией! Таким образом, метод изохрон обладает «встроенной защитой», которая показывает, «исправны» радионуклидные часы или же они «барахлят».

Рис. 1. Метод изохрон. Для определения возраста магматической породы берут несколько ее образцов, различающихся содержанием материнского радионуклида M . Измеряя (например, с помощью масс-спектрометра ) концентрации материнского нуклида M , дочернего нуклида D 1, а также нуклида D 2, являющегося нерадиогенным изотопом того же элемента, что и нуклид D 1, строят графики зависимости [ D 1]/ [ D 2] от [ M ]/ [ D 2]. При отсутствии выноса и привноса нуклидов за пределы породы такой график является прямой линией — изохроной . Изохрона, построенная по точкам с маркерами-кругами соответствует только что извернувшейся породе, с маркерами-треугольниками — породе возрастом в 0,5 периода полураспада радионуклида M, с маркерами-квадратами — породе возрастом в 1 период полураспада радионуклида M.