Путешествие в страну РАИ - Дмитрий Николаевич Трифонов

Периодом полураспада называется количество времени, в течение которого данный радиоактивный изотоп распадается наполовину, то есть половина его количества превращается в изотоп другого элемента. Величины периодов полураспада (они обозначаются буквой T) у разных изотопов различные: от долей секунды до миллиардов лет. В зависимости от величины T различают изотопы короткоживущие, имеющие среднюю продолжительность жизни, и долгоживущие.

Сейчас известно почти 1500 стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов, и большая часть из них получена искусственно.

— Подумать только — полторы тысячи изотопов! — удивилась Майка. — И что, все они применяются?

— Нет, конечно, не все, — улыбнулся я. — Многие вообще нельзя применять, потому что у них очень маленький период полураспада. Но если подсчитать количество изотопов, которые в наше время можно использовать, то сотня смело наберется…

— Кстати говоря, — вмешался Илья, — если внедрение радиоизотопов пойдет и дальше такими же быстрыми темпами, как и сейчас, то в человеческой жизни произойдет целая революция!

— Такой же переворот, какой произвело электричество? — улыбнулся Сергей.

— А ты не смейся! Я говорю серьезно… Внимательнее читайте газеты! В них то и дело встречаются сообщения о том, как все в новые и новые отрасли хозяйства внедряются радиоизотопы. Они и ускоряют производственные процессы, и помогают их автоматизировать, и во много раз повышают их эффективность… Они несут миллиарды рублей экономии. Подумайте только: в Москве, на Юго-Западе, есть специальный магазин «Изотопы»! Единственный в мире! А ты еще сомневаешься! — Илья вызывающе взглянул на Сергея.

— Ну, а где же конкретные применения? — спросила Наташа. — Мы ждем да ждем, а вы все вокруг да около. Ну расскажите, например, как радиоактивные изотопы используют в медицине… Я слышала, с их помощью лечат рак…

— Давайте договоримся! — сказал Илья. — Пусть в этих рассказах будет какая-то система. Больше всего меня убивает в наших спорах полнейшая бессистемность! Анатолий рассказал про определение возраста органических остатков. Но ведь с помощью радиоактивных изотопов определяют возраст и других объектов… Например, Земли. Да, кстати, сколько, по-вашему, лет камню, который лежит около печки?

— Странный вопрос! — удивился Алеша. — Столько же, сколько и Земле!

— Отнюдь нет! Образование различных горных пород и минералов происходило не одновременно. Есть минералы очень древние, есть сравнительно молодые. Так утверждает геология. Как образовывались различные минералы — вопрос сложный. Об этом можно узнать из геологической литературы. Я хочу подчеркнуть, что возраст Земли и разных минералов — величины не всегда одни и те же.

Итак, сколько лет Земле?

Люди пытались ответить на этот вопрос в глубокой древности, задолго до накопления того комплекса знаний об окружающем мире, который позволил подойти к делу научно.

Церковники считали, что образование Земли (сиречь сотворение мира) произошло сравнительно недавно. Согласно библейскому «летосчислению» в этом году исполняется 5716 годовщина сотворения Земли «всемогущим».

Но в различных религиозных догматах не было единства взглядов. Так, вавилонские летописи определяли, что «сотворение мира» произошло несколько сот тысяч лет назад. Японские предания гласили, что Земля была создана за несколько миллионов лет до заселения Японских островов. Китайские источники устанавливают срок в 3,5 миллиона лет.

Когда же в дело вмешалась наука, все эти представления были отвергнуты.

Ученые по-разному пытались определить возраст Земли. Они использовали астрономические данные, исходили из скорости образования осадочных пород в морях, пытались рассчитать, сколько лет потребовалось для охлаждения планеты до современного состояния. Однако все эти методы были грубо приближенными. Они давали самые различные величины от 20 до 5000 миллионов лет.

В наши дни ученые заявляют: Земля образовалась около 5 миллиардов лет назад. Можно вполне доверять этой цифре. Разумеется, она не является абсолютно точной, но, во всяком случае, достаточно близка к истинной.

Эта цифра была определена с помощью радиоактивных изотопов.

Большинство элементов состоит из нескольких изотопов. Обычно преобладает какой-нибудь один или два; процентное содержание остальных значительно меньше. Изотопный состав элемента сравнительно просто определить с помощью специальных устройств.

Проведем следующий эксперимент. Возьмем несколько образцов минералов, в состав которых входит интересующий нас элемент. Установим в каждом отдельном случае его изотопный состав. Мы придем к интересному выводу: изотопный состав нашего элемента почти одинаков независимо от соединения, в котором он содержится. Добавим еще: и от происхождения этого соединения. Так, сходство изотопного состава земных минералов и метеоритов доказано для 12 элементов.

Но можем ли мы утверждать, что изотопный состав любого элемента есть нечто неизменное, раз навсегда установившееся не только со времени образования Земли, но и происхождения химических элементов вообще? Оказывается, нет.

Какие же процессы могут привести к нарушению этого постоянства? Прежде всего естественная радиоактивность.

Например, два классических радиоактивных элемента уран и торий после длинной цепочки распадов превращаются в стабильные изотопы свинца. Так, уран 238 имеет конечным продуктом радиоактивных превращений свинец 206, уран 235 — свинец 207, торий 232 — свинец 208. Будем называть свинец, образовавшийся в результате распада урана и тория, радиогенным. Он всегда есть в свинцовых минералах, одновременно содержащих эти радиоактивные элементы. И если обыкновенный природный свинец состоит из 53,02 процента Pb208, 23,33 процента Pb207, 22,07 процента Pb206 и 1,58 процента Pb204, то изотопный состав свинца минералов, в состав которых входят также уран и торий, существенно отличается. Радиогенный свинец сильно изменяет общий изотопный состав свинца.

Давайте рассуждать дальше. Мы можем определить величины отклонения изотопного состава свинца в радиоактивном ураноториевом минерале от обычного и отсюда рассчитать, сколько добавилось радиогенного свинца. По цепочкам превращений урана и тория просто найти количество этих элементов, распавшихся за время существования минерала. Теперь подвергнем минерал обычному химическому анализу. Он покажет, сколько урана и тория содержится в настоящее время в нашем минерале. Следовательно, получим очень важные цифры, которые показывают, какая часть урана и тория успела превратиться в свинец. Зная же периоды полураспада этих элементов, можем легко найти возраст минерала.

Этот метод является наиболее точным из всех, которыми располагает наука для определения возраста Земли и горных пород. Правда, предполагается, что возраст Земли и древних пород, содержащих уран и торий, — величины примерно одинаковые.

А как же быть с нашим булыжником? Ведь он не содержит ни урана, ни тория… Но все же можно определить и его возраст.

Есть один весьма распространенный химический элемент, который входит в большинство горных пород и минералов. Это калий. Среди его природных изотопов — два стабильных (K39 и K41) и один естественно радиоактивный (K40) с периодом полураспада около десяти миллиардов лет.

Калий 40 используется для определения возраста многих