Уран-234 розкриває таємниці Природи
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Дуже цікаво, звичайно, дізнатися точно, скільки тисячоліть тому вимерли мамонти або коли зникли динозаври. Але це не просто цікаво, це ще й дуже потрібно. Наприклад, палеонтологам, які вивчають процеси еволюції в живій природі. Та й не тільки їм – геологи та гірські інженери, гідрологи і фахівці сільського господарства, археологи і геофізики хочуть знати, як змінювалися з часом умови на Землі. Найбільш точно на питання, коли відбулася та чи інша геологічна подія, відповідають методи абсолютної геохронології. Засновані вони на явищі природного розпаду радіоактивних елементів. Їх вже чимало таких методів: свинцевий, калій-аргоновий, стронцієвий, радіовуглецевий… З їх допомогою була створена геохронологічна шкала, визначено вік різних гірських порід та мінералів.
І все-таки в земній історії є відрізок, який до останнього часу не піддавався датуванню. Це проміжок приблизно від півмільйона до десяти мільйонів років тому. Самі живучі елементи з тих, що служать геологічними годинниками, — торій та два ізотопи урану (уран-235 і уран-238). Період їх напіврозпаду можна порівняти з віком Землі – 4,5 мільярда років. За мільярди років і той і інший хімічні елементи частково перетворюються в різні ізотопи свинцю. По співвідношенню ізотопів і можна обчислити вік породи. Цей метод дозволив зазирнути майже в самий-самий початок – вчені знайшли породи, що утворилися 3,5 мільярда років тому.
Подивимося тепер на інший, найближчий до нас кінець геохронологічної шкали. Щоб дізнатися, наприклад, коли «почив у бозі» мамонт, останки якого знайшли у вічній мерзлоті, свинцевий метод з його мільярдами років не годиться — тут використовується вже радіовуглецевий. Ізотоп вуглецю 14С утворюється в повітрі атмосфери під впливом космічних променів, причому синтез і радіоактивний розпад його врівноважені. Тварини і рослини, що споживають вуглець, природно, накопичують і 14С. А ось після смерті організму надходження припиняється і відбувається тільки розпад ізотопу. Його період напіврозпаду лише 5700 років, і це дозволяє з хорошою точністю датувати події в межах останніх 60 тисяч років (за 5700 років розпадається половина накопиченого в кістках мамонта вуглецю 14С, за наступні 5700 років — половина залишеного, тощо).
А ось ізотопу, придатного для точної оцінки віку подій в інтервалі 0,5—10 мільйонів років, відшукати не вдавалося. Щоб зрозуміти, як вдалося вченим ліквідувати цю прогалину, давайте спочатку трохи поговоримо про явище поділу ізотопів в природі.
Важкі ізотопи 235 U і 238 U утворилися завдяки ядерним процесам, які протікали і закінчилися давним-давно. У природі вони нерозлучні, розділити їх дуже важко. Їх кількісне співвідношення на Землі завжди постійно, незалежно від того, де вони знаходяться. Зазвичай така сталість ізотопів урану і близьких йому по таблиці елементів Менделєєва пов’язують з тим, що важкі ізотопи з невеликою відмінністю в атомних масах не поділяються в хімічних і фізичних процесах.
Інша справа – ізотопи легких елементів: водню, кисню, азоту, сірки, вуглецю… Поводяться ці ізотопи зовсім інакше. Тому поділ легких ізотопів в природі відбувається безперервно. Випаровування води з поверхні морів і океанів: кисню 16 О в парах завжди міститься відносно більше, а 18 О – менше, ніж в океанських товщах. І навпаки, перші краплі дощу значно важчі, ніж наступні. Справа не в тому, що вони крупніше: в нижній частині хмари конденсується більш «важка» вода, що пов’язано з присутністю важких ізотопів водню і кисню.
Таким чином, в круговороті речовин поділ ізотопів, накопичення їх, то в одному місці, то в іншому відбувається постійно. Але це стосується легких елементів. Більш важкі, починаючи з хлору, в цій «грі» не беруть участь. Вірніше, так думали до останнього часу.
Виявлена зовсім дивна поведінка одного з важких ізотопів — 234 U і, дуже рідкісного «побратима» ізотопів 235 U і 233 U. Мізерно відрізняючись від них по масі, атоми 234 U дуже легко відокремлюються від атомів 235 U і 238 U, «витягуються» з природних кристалів навіть самою маленькою цівкою води.
Дозвольте, може запитати ерудований читач, та ж в гірських породах ізотопу уран-234 міститься мізерно мало! Всього тисячні частки відсотка від кількості урану-238. І взагалі, це абсурд: як це мило дзюркотливий струмочок може сепарувати атоми (подумати тільки: розділити не якісь там золоті крупинки і піщинки, а атоми!) майже однакової маси?
Вся справа в тому, що ніхто раніше не звертав особливої уваги на одну деталь — різницю в походженні всіх трьох ізотопів урану. Уран-234 зовсім не побратим ізотопів 235 U і 238 U, він продукт радіоактивного розпаду одного з них — урану-238 і розпад цей, що йде зі середньостатистичною рівномірністю по всьому об’єму ураномісного мінералу, чомусь призводить до дивного, на перший погляд, результату: концентрації урану-234 переважно в поверхневих шарах — там, де порода відкрита або має якісь тріщини, мікропорожнечі.
Це здається дивним, тому що справа відбувається не де-небудь, а в твердому кристалі, в якому атоми жорстко сидять на своїх місцях в кристалічній решітці. Дослідження вчених показали, що нічого, загалом-то, дивного тут немає: розпад веде до порушення структури кристала. Спрощено це можна пояснити так.
Коли атом урану-238 розпадається, з нього вилітає альфа-частка. При цьому спостерігається те ж саме, що при пострілі гармати,— віддача. Народжений атом урану-234 створює, по термінології вчених, область розупорядкування, кристалічна решітка тут руйнується. Якщо цей процес відбувається в глибині кристала, то завдяки тиску з усіх боків сітка відновлюється і співвідношення ізотопів в ній не змінюється. Але якщо все відбувалося поблизу поверхні кристала, то результат зовсім інший: з’являється вірогідність того, що в даному місці в поверхневий шар впровадиться за рахунок віддачі зайвий атом урану-234.
Саме тому співвідношення двох ізотопів в поверхневому шарі кристала змінюється. І досить навіть слабенької цівки води – за довгий час вона змиє поверхневий шар мінералу, і в струмочку виявиться підвищений вміст ізотопу уран-234. Тепер вже можна вважати встановленим, що важкий елемент — уран, так само як і легкі, може збагачуватися ураном-234 в безперервних природних процесах, здатний до ізотопного фракціонування (але механізм тут, як ми бачимо, особливий). У цьому — суть відкриття.
Що ж дає вченим уран, винесений з порід водою і збагачений ураном-234? Нерівноважний уран — так його ще називають — закрив прогалину в геохронологічній шкалі. Період напіврозпаду (250 тисяч років) дуже вдало вписався в часовий проміжок, про який ми говорили. Правда, при «одноразовому» вступі в якесь геологічне утворення уран-234 не може ще свідчити про події старше одного-півтора мільйонів років. За цей час він практично весь розпадеться. Але якщо процес привнесення в породу нерівноважного урану безперервний, то віковий ценз зсувається майже до 10 мільйонів років. Однак це не означає, що датуванню піддаються тільки події, що відбулися в геологічній історії за півмільйона років і раніше. За допомогою урану 234 можна заглянути в ближчий до нас відрізок часу – на 30-100 тисяч років тому.
Автор: Е. Соркін.