Уран-234 раскрывает тайны Природы

Очень интересно, конечно, узнать точно, сколько тысячелетий назад вымерли мамонты или когда исчезли динозавры. Но это не просто интересно, это еще и очень нужно. Например, палеонтологам, изучающим процессы эволюции в живой природе. Да и не только им — геологи и горные инженеры, гидрологи и специалисты сельского хозяйства, археологи и геофизики хотят знать, как менялись со временем условия на Земле. Наиболее точно на вопрос, когда произошло то или иное геологическое событие, отвечают методы абсолютной геохронологии. Основаны они на явлении естественного распада радиоактивных элементов. Их уже немало, таких методов: свинцовый, калий-аргоновый, стронциевый, радиоуглеродный… С их помощью была создана геохронологическая шкала, определен возраст, различных горных пород и минералов.

И все-таки в земной истории есть отрезок, который до последнего времени был не подвластен датировке. Это промежуток примерно от полумиллиона до десяти миллионов лет назад. Самые долгоживущие элементы из тех, что служат геологическими часами, — торий и два изотопа урана (уран-235 и уран-238). Период их полураспада сравним с возрастом Земли — 4,5 миллиарда лет. За миллиарды лет и тот и другой химические элементы частично превращаются в различные изотопы свинца. По соотношению изотопов и можно вычислить возраст породы. Этот метод позволил заглянуть почти в самое-самое начало — ученые нашли породы, образовавшиеся 3,5 миллиарда лет назад.

Посмотрим теперь на другой, ближайший к нам конец геохронологической шкалы. Чтобы узнать, например, когда «почил в бозе» мамонт, останки которого нашли в вечной мерзлоте, свинцовый метод с его миллиардами лет не годится — здесь используется уже радиоуглеродный. Изотоп углерода 14С образуется в воздухе атмосферы под воздействием космических лучей, причем синтез и радиоактивный распад его уравновешены. Животные и растения, потребляющие углерод, естественно, накапливают и 14С. А вот после смерти организма поступление прекращается и происходит только распад изотопа. Его период полураспада всего лишь 5700 лет, и это позволяет с хорошей точностью датировать события в пределах последних 60 тысяч лет (за 5700 лет распадается половина накопившегося в костях мамонта углерода 14С, за следующие 5700 лет — половина оставшегося и т. д.).

А вот изотопа, подходящего для точной оценки возраста событий в интервале 0,5—10 миллионов лет, отыскать не удавалось. Чтобы понять, как удалось ученым ликвидировать этот пробел, давайте вначале немного поговорим о явлении разделения изотопов в природе.
Тяжелые изотопы 235 U и 238 U образовались благодаря ядерным процессам, которые протекали и закончились давным-давно. В природе они неразлучны, разделить их очень трудно. Их количественное соотношение на Земле всегда постоянно, независимо от того, где они находятся. Обычно такое постоянство изотопов урана и близких ему по таблице Менделеева элементов связывают с тем, что тяжелые изотопы с небольшим различием в атомных массах не разделяются в химических и физических процессах.

Другое дело — изотопы легких элементов: водорода, кислорода, азота, серы, углерода… Ведут себя эти изотопы совершенно иначе. Поэтому разделение легких изотопов в природе происходит непрерывно. Испарение воды с поверхности морей и океанов: кислорода 16 О в парах всегда содержится относительно больше, а 18 О — меньше, чем в океанских толщах. И наоборот, первые капли дождя значительно тяжелее, чем последующие. Дело не в том, что они крупнее: в нижней части облака конденсируется более «тяжелая» вода, что связано с присутствием тяжелых изотопов водорода и кислорода.

Таким образом, в круговороте веществ разделение изотопов, накопление их, то в одном месте, то в другом происходит постоянно. Но это касается легких элементов. Более тяжелые, начиная с хлора, в этой «игре» не участвуют. Вернее, так думали до последнего времени.

Обнаружено совершенно удивительное поведение одного из тяжелых изотопов — 234 U и, очень редкого «собрата» изотопов 235 U и 233 U. Ничтожно отличаясь от них по массе, атомы 234 U очень легко отделяются от атомов 235 U и 238 U, «вытягиваются» из природных кристаллов даже самой маленькой струйкой воды.

Позвольте, может спросить эрудированный читатель, да ведь в горных породах изотопа уран-234 содержится ничтожно мало! Всего тысячные доли процента от количества урана-238. И вообще, это абсурд: как это мило журчащий ручеек может сепарировать атомы (подумать только: разделить не какие-нибудь там золотые крупинки и песчинки, а атомы!) почти одинаковой массы?

Все дело в том, что никто ранее не обращал особого внимания на одну деталь — разницу в происхождении всех трех изотопов урана. Уран-234 вовсе не собрат изотопов 235 U и 238 U, он продукт радиоактивного распада одного из них — урана-238 и распад этот, идущий со среднестатистической равномерностью по всему объему ураносодержащего минерала, почему-то приводит к странному, на первый взгляд, результату: концентрации урана-234 преимущественно в поверхностных слоях — там, где порода открыта или имеет какие-либо трещины, микропустоты.

Странным это кажется, потому что дело происходит не где-нибудь, а в твердом кристалле, в котором атомы жестко сидят на своих местах в кристаллической решетке. Исследования ученых показали, что ничего, в общем-то, удивительного здесь нет: распад ведет к нарушению структуры кристалла. Упрощенно это можно объяснить так.

Когда атом урана-238 распадается, из него вылетает альфа-частица. При этом наблюдается то же самое, что при выстреле пушки — отдача. Родившийся атом урана-234 создает, по терминологии ученых, область разупорядочения, кристаллическая решетка здесь разрушается. Если этот процесс происходит в глубине кристалла, то благодаря давлению со всех сторон решетка восстанавливается и соотношение изотопов в ней не меняется. Но если все происходило вблизи поверхности кристалла, то результат совсем иной: появляется вероятность того, что в данном месте в поверхностный слой внедрится за счет отдачи лишний атом урана-234.

Именно поэтому соотношение двух изотопов в поверхностном слое кристалла меняется. И достаточно даже слабенькой струйки воды — за долгое время она смоет поверхностный слой минерала, и в ручейке окажется повышенное содержание изотопа уран-234. Теперь уже можно считать установленным, что тяжелый элемент — уран, так же как и легкие, может обогащаться ураном-234 в непрерывных природных процессах, способен к изотопному фракционированию (но механизм здесь, как мы видим, особый). В этом — суть открытия.

Что же дает ученым уран, вынесенный из пород водой и обогащенный ураном-234? Неравновесный уран — так его еще называют — закрыл пробел в геохронологической шкале. Период полураспада (250 тысяч лет) очень удачно вписался во временной промежуток, о котором мы говорили. Правда, при «одноразовом» поступлении в какое-то геологическое образование уран-234 не может еще свидетельствовать о событиях старше одного-полутора миллионов лет. За это время он практически весь распадется. Но если процесс привнесения в породу неравновесного урана непрерывен, то возрастной ценз сдвигается почти до 10 миллионов лет. Однако это не значит, что датировке поддаются только события, произошедшие в геологической истории за полмиллиона лет и ранее. С помощью урана 234 можно заглянуть в более близкий к нам отрезок времени — на 30—100 тысяч лет назад.

Автор: Э. Соркин.