Мы часто слышим о том, что археологи отыскали артефакт, древние захоронения или кости древнего животного. В новостях в таких случаях сообщают: “В Африке обнаружили останки человека, жившего около 200 тысяч лет назад”.

А не задумывались ли вы о том, как ученые определяют возраст подобных находок? Ведь в самих захоронениях нет ни дат, ни писем или иных сведений о времени. А как насчет возраста самой Земли?

Простейшие, обитавшие в “первичном бульоне” планеты точно не владели письменностью и не хранили никаких свидетельств о своей жизни.Только относительно недавно человечество смогло ответить на эти вопросы. Помогли им в этом знания о строении атомов. Мы попытаемся рассказать о том, как прилетевший метеорит и знания об изотопах атома помогли разгадать загадку. 

Аристотель полагал, что Земля существовала вечно. Римский поэт Лукреций, напротив, верил в то, что Земля появилась незадолго до Троянской войны.

Михаил Ломоносов думал, что Земля была создана отдельно, до создания самой Вселенной. В 1862 году физик лорд Кельвин опубликовал расчеты, согласно которым возраст Земли был определен между 20 и 400 миллионами лет. Список можно продолжать еще очень долго, но объединяет все эти расчеты только одно – они неверные! 

На самом деле реальный возраст Земли - 4,54 миллиарда лет (плюс-минус 50 миллионов лет). За свою историю Земля не раз меняла свой облик, не говоря уже о том, что первая жизнь появилась лишь спустя миллиард лет. Единственные существа, которых волновал возраст Земли - люди - появились совсем недавно, 50-100 тысяч лет назад. Чтобы выяснить реальный возраст возникновения нашей планеты, ученые потратили много лет, но секрет, открывшийся им, поистине уникален. 

Мы уже знаем, из чего состоят атомы. Например, у атомов одного элемента одинаковое число протонов и нейтронов. Если добавить или отнять хотя бы один протон, мы получим новый элемент. Именно количество протонов определяет то, с каким элементом мы имеем дело. Если к ценному атому золота, имеющему 79 протонов, прибавить один, мы получим атом ядовитой ртути с 80 протонами. С другой стороны, число нейтронов у атомов может отличаться, от этого их свойства практически не меняются, поэтому они все еще будут одним и тем же элементом. Подобные атомы, с разным числом нейтронов, но одинаковым количеством протонов, называются изотопами (от гр. “равный” и “место”). Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (клетку) в таблице Менделеева. Изотопы – это своего рода братья-близнецы.

Для посторонних людей близнецы кажутся абсолютно одинаковыми, тем не менее, родители и близкие друзья братьев с легкостью их различают. Похожим образом ученые после долгих лет экспериментов, наконец, тесно узнали изотопы и нашли применения их полезным свойствам. 

И как это нам поможет рассчитать возраст Земли? Оказывается, существует два вида изотопов: устойчивые, которые не меняются с течением времени, и радиоактивные. Радиоактивные изотопы со временем изменяются, превращаясь в другие более легкие элементы, пока наконец не находят покой и стабильность, превратившись в стабильный изотоп. Этот процесс, который называется радиоактивным распадом, хорошо изучен. И, более того, известно, за какое время происходит распад определённого радиоактивного изотопа в другой элемент. И если найти кусок камня, который сохранился со времен рождения Земли и сравнить содержание радиоактивного изотопа в нем с содержанием стабильного изотопа, в который он распался, то можно рассчитать возраст этого камня и как следствие возраст Земли. Проблема лишь в том, где найти такой камень. Мы вернемся к этой проблеме чуть позже, а пока давайте разберемся, как рассчитывают время, за которое распадаются радиоактивные изотопы.

Время, за которое распадается (изменяется) ровно половина ядер радиоактивного изотопа, называется периодом полураспада. Однако не стоит считать, что за два периода полураспада распадутся все частицы, взятые в начальный момент. Поскольку каждый период полураспада уменьшает число выживших частиц вдвое, то останется 100%*0,5*0,5=25% от исходного количества. 

Такая зависимость называется экспоненциальной и проще всего выразить ее через следующую формулу, которую можно использовать для более каверзных систем:

ln(N1/N2)= λ*t, где N1 – число атомов в начале, N2 – в конце, а λ– просто константа, равная ln(2)/t(полураспада).

Давайте попробуем высчитать возраст самой знаменитой находки, сделанной на территории Казахстана - Золотого Человека.

Предположим, что содержание изотопа углерода 14С (С - обозначение углерода) в костях нашего Золотого человека составляет 73%. Период полураспада радиоактивного изотопа 14С - 5730 лет. В каком веке он жил?

Для начала найдем λ=ln(2)/5730=1.21*10 ^-4

Если N1 = 100 (100% содержание изотопа углерода 14С), то N2 = 73. Осталось только подставить эти данные в нашу новую формулу.

ln(100/73)/1.21*10 ^-4 )=2600 лет

2017-2600= -587 лет. Значит, находка датируется 6 веком до нашей эры. Чудно! 

С Золотым человеком все легко - он жил не так давно, и даже без сложных подсчетов мы можем понять, когда именно. Но что же делать с планетой Земля? Во время ее возникновения не было живых организмов, были лишь камни и минералы. Поэтому для расчета возраста Земли нам нужно определить две вещи: какой изотоп мы будем использовать для сверки часов и какой камень выбрать для оценки содержания радиоактивного изотопа.

Для начала нам будет нужен радиоактивный изотоп с достаточно большим периодом полураспада. Таким критериям соответствует уран. Конечным и стабильным продуктом распада урана является свинец (Pb). Период полураспада урана в свинец, в зависимости от изотопа урана (U238 или U235), составляет либо 4.47 миллиардов лет, либо 740 миллионов лет. Метод оценки возраста горных пород называется уран-свинцовым.

Потом нам нужна горная порода, возраст которой совпадает с возрастом Земли. Правда, есть одна проблема - большинство горных пород на Земле не способны указать на точную дату рождения, так как большинство из них представляют смесь из пород разного возраста. А что если взять горную породу, прилетевшую в виде метеорита из Космоса?

Это и сделал в 1953 году Клэр Паттерсон – человек, впервые рассчитавший правильный возраст Земли. Он полагал, что метеориты являются остаточным материалом со времен образования Солнечной системы, и, таким образом, вычислив возраст такого метеорита, можно измерить возраст Земли. В качестве образца Клер взял метеорит Каньон-Дьябло, упавший на Землю приблизительно 50 тысяч лет назад. Возраст Земли, опубликованный Клэром Патерсоном, составил 4,55 миллиарда лет (плюс-минус 70 миллионов лет). Эта оценка до сих пор практически не изменилась. По сути, использовался метод, схожий с методом, который мы использовали при расчете возраста Золотого человека.

Примеров использования изотопов можно приводить еще сколько угодно: стерилизация инструментов, борьба с раком, изучение механизма органических реакций с помощью меченых атомов. Самое главное – суть. Надеемся, что и вы, наши дорогие читатели, ее поняли. А ведь это только один принцип. Тем не менее, сколько всего ученые смогли из него извлечь, сколько интересных и полезных вещей придумали! А сколько еще новых возможностей открывает наука? Даже трудно представить!