Занимательная геохимия. Химия земли - Александр Евгеньевич Ферсман

постоянного тепла и как источник образования промышленных запасов химических элементов, но и как естественный часовой механизм, хронометр, по которому мы можем отсчитывать время, протекшее с момента образования на Земле тех или других горных пород и, наконец, самой Земли как твердого тела.

Каким же образом атомы урана, тория и радия и их распад могут быть использованы как часы для определения геологического времени? А вот каким. Мы с вами видим, что скорость, с какой происходит распад радиоактивных атомов, не зависит от химических и физических воздействий и остается все время строго постоянной. С другой стороны, при радиоактивном распаде образуются устойчивые и далее не изменяющиеся атомы элементов гелия и свинца, количество которых с течением времени будет все более и более накапливаться.

Зная, какое количество гелия и свинца образуется за счет радиоактивного распада атомов из одного грамма урана или тория в течение одного года, и определив, сколько урана и тория содержится в каком-нибудь минерале и сколько в том же минерале содержится гелия и свинца, из отношения гелия к урану и торию, с одной стороны, и из отношения свинца к урану и торию — с другой, мы получим время в годах, которое прошло с момента образования этого минерала.

Действительно, в момент своего образования минерал содержал в своем составе только атомы урана и тория, никаких атомов гелия и свинца в нем не было; затем за счет распада атомов урана и тория в минерале стали появляться и постепенно накапливаться атомы гелия и свинца.

Такой содержащий атомы урана и тория минерал можно уподобить песочным часам, действие которых вы все, наверное, видели. Напомню вам, как устроены такие часы. Они состоят из двух сообщающихся друг с другом сосудов; в одном из них насыпано определенное количество песка. В момент, когда часы пускают, их закрепляют и дают песку под действием силы тяжести медленно высыпаться из верхнего сосуда в нижний.

Обыкновенно насыпается такое количество песка, чтобы оно полностью пересыпалось в нижний сосуд в заданный промежуток времени — 10 минут, 15 минут. Песочными часами пользуются для отсчетов постоянных промежутков времени. Однако ими можно было бы пользоваться и для отсчетов любых промежутков времени. Для этого пришлось бы или взвесить количество песка, или разметить сосуды на равные по объему части и измерять объемы насыпавшегося песка. Так как песок под действием тяжести высыпается с определенной скоростью, то можно определить, сколько песка по объему или по весу высыпается из верхнего сосуда в нижний в течение одной минуты, и по объему высыпавшегося песка судить, сколько минут прошло с момента, когда мы пустили часы.

Нечто подобное происходит с минералом, содержащим атомы урана и тория. Он уподобляется верхнему сосуду, содержащему определенное количество песка, только роли отдельных песчинок выполняют атомы урана и тория. Они тоже с определенной скоростью превращаются в атомы гелия и свинца, и, как в случае с песочными часами, атомы распада накапливаются в прямой зависимости от протекшего до настоящих дней времени существования радиоактивного минерала.

Количество оставшегося урана определяем прямым анализом; количество распавшихся атомов урана и тория мы вычисляем по количеству образовавшихся из них гелия и свинца. Эти данные позволяют найти отношение урана к количеству образовавшихся свинца и гелия, а следовательно, вычислить время, в течение которого продолжался распад. Таким путем ученым удалось определить, что на Земле встречаются минералы, с момента образования которых прошло почти два миллиарда лет. Таким образом, теперь мы знаем, что Земля наша очень древняя старушка, и ей, во всяком случае, больше двух миллиардов лет от роду[18].

В заключение этой главы мне хотелось бы рассказать вам еще об одном явлении, которое открыто недавно и которому суждено сыграть большую роль в жизни людей. Мы с вами видели, что все ядра атомов тяжелых химических элементов, начиная с 84-го порядкового номера в периодической системе Д. И. Менделеева, — это ядра неустойчивые, или обладающие свойством радиоактивности. Оказывается, что ядро атома делается неустойчивым, если в нем сильно нарушается некоторое определенное соотношение между протонами и нейтронами. При большом избытке нейтронов в ядре оно делается неустойчивым.

Как только ученые подметили это свойство ядер химических элементов, они вскоре нашли средство искусственно менять соотношение между протонами и нейтронами в ядрах химических элементов и, таким образом, по своему желанию превращать устойчивые разновидности ядер атомов в неустойчивые, делать химические элементы искусственно-радиоактивными. Как это можно сделать?

Для этого нужно найти какой-нибудь снаряд, размер которого не превосходил бы размер ядра атома, сообщить ему очень большую энергию и попасть им в ядро атома.

Такими снарядами атомных размеров с очень большой энергией являются альфа-частицы, испускаемые радиоактивными веществами. Ими прежде всего и воспользовались ученые, чтобы искусственно разрушать ядро атома. Впервые это удалось сделать известному английскому физику Эрнесту Резерфорду, который, действуя в 1919 году альфа-лучами на ядра атомов азота, обнаружил, что при этом из них вылетают протоны.

Пятнадцать лет спустя, в 1934 году, молодая чета французских ученых Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри, действуя альфа-частицами элемента полония на алюминий, обнаружили, что алюминий под действием альфа-лучей не только испускает лучи, в состав которых входят нейтроны, но и по окончании облучения альфа-частицами сохраняет в течение некоторого времени радиоактивные свойства, испуская бета-лучи.

Путем химического анализа супруги Жолио-Кюри установили, что искусственно-радиоактивным при этом является не сам алюминий, а атомы фосфора, образовавшиеся из атомов алюминия под действием альфа-частиц.

Таким образом были получены первые искусственно-радиоактивные элементы и была открыта искусственная радиоактивность. А вскоре, испробовав разные приемы для получения искусственно-радиоактивных элементов, стали действовать на ядра химических элементов вместо альфа-частиц нейтронами, гораздо легче проникающими в ядра атомов, чем альфа-частицы, которые заряжены положительно и потому при приближении к атому отталкиваются ядром.

Эти силы отталкивания у ядер атомов тяжелых химических элементов настолько велики, что энергии альфа-частиц не хватает для того, чтобы их преодолеть, и альфа-частица до ядра атома добраться не может. Нейтроны же как частицы, не несущие никакого электрического заряда, ядрами не отталкиваются и легко в них проникают. Действительно, путем воздействия нейтронов великому итальянскому физику Э. Ферми, а вслед за ним и другим ученым удалось получить искусственно-радиоактивные неустойчивые разновидности ядер атомов для всех химических элементов.

В ходе этих исследований немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом в 1939 году было обнаружено, что при воздействии нейтронами малой энергии на самый тяжелый химический элемент — уран — ядра атомов урана претерпевают новый, ранее неизвестный тип распада, при котором ядро атома делится на две приблизительно равные половинки. Эти половинки сами являются неустойчивыми разновидностями ядер атомов известных