Некоторые изотопы являются стабильными, другие нестабильны.
Свинец-202 является нестабильным изотопом; свинец-204, свинец-206, свинец-207 и свинец-208 — стабильными изотопами.
«Нестабильный» означает, что атомы спонтанно распадаются в нечто другое, предсказуемыми темпами, хотя и в непредсказуемые моменты.
Предсказуемость скорости распада — ключ ко всем радиометрическим часам.
Другое слово для «нестабильного» — «радиоактивный».
Существует несколько видов радиоактивного распада, пригодных в качестве часов.
Для наших целей не важно понимать их, но я объясню их здесь, чтобы показать великолепный уровень детализации, которого физики достигли в изучении подобного рода вещей.
Такие подробности проливают сардонический свет на отчаянные попытки креационистов подыскать оправдания свидетельствам радиоактивного датирования, и сохранить Землю молодой как Питер Пэн.
Во всех этих видах распада вовлечены нейтроны.
При одном виде нейтрон превращается в протон.
Это означает, что атомная масса остается та же (так как у протонов и нейтронов одинаковая масса), а атомное число повышается на единицу, таким образом, атом становится иным элементом, на один шаг правее в периодической системе.
Например, натрий 24 превращается в магний 24.
При другом виде радиоактивного распада происходит в точности обратное.
Протон превращается в нейтрон.
Снова, атомная масса остается та же самая, но на этот раз атомное число уменьшается на единицу, а атом становится следующим элементом левее в периодической системе.
Третий вид радиоактивного распада имеет тот же результат.
Залетный нейтрон ударяет ядро и выбивает один протон, занимая его место.
Опять же, нет никаких изменений в атомной массе, и снова, атомный номер уменьшается на один, и атом превращается в следующий элемент левее в периодической системе.
Существует также более сложный вид распада при которой атом испускает так называемую альфа-частицу.
Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, склеенных вместе.
Это означает, что атомная масса уменьшается на четыре, а атомный номер понижается на два.
Атом превращаестя в тот элемент, который находится на две ячейки левее в периодической таблице.
Пример альфа-распада — превращение очень радиоактивного изотопа урана 238 (с 92 протонами и 146 нейтронами) в торий 234 (с 90 протонами и 144 нейтронами).
Теперь мы приближаемся к сути всего дела.
Каждый нестабильный или радиоактивный изотоп распадается со своей собственной характерной скоростью, которая точно известна.
Кроме того, некоторые из этих скоростей значительно медленнее, чем другие.
Во всех случаях распад экспоненциальный.
Экспоненциальный означает, что если вы начнете, скажем, со 100 граммов радиоактивного изотопа, то не будет так, что фиксированное количество, скажем в 10 граммов, превратится в другой элемент за данное время.
Скорее, фиксированная доля того, что оставалось, превратиться во второй элемент.
Общепринятой мерой скорости распада является «период полураспада».
Период полураспада радиоактивного изотопа — время, затраченное на распад половины его атомов.
Период полураспада одинаков, независимо от того, сколько атомов уже распалось — это означает экспоненциальный распад.
Вы можете понять, что с таким последовательным располовиниванием, мы никогда, на самом деле, не узнаем, сколько надо, чтобы не осталось ничего.
Однако, мы можем сказать, что после того, как пройдет достаточное количество времени — скажем десять полураспадов, число атомов, которое остается, является настолько маленьким, что, для практических нужд можно считать, что все распалось.
Например, период полураспада углерода-14 составляет между 5000 и 6000 лет.
Для образцов более старых, чем 50 000-60 000 лет, радиоуглеродное датирование бесполезно, и мы должны обратиться к более медленным часам.
Период полураспада рубидия-87 составляет 49 миллиардов лет.
Период полураспада фермия-244 составляет 3,3 мс.
Такие поразительные крайности служат иллюстрацией колоссального диапазона доступных часов.
Хотя период полураспада углерода-15 в 2,4 секунды слишком короток для решения эволюционных вопросов, период полураспада углерода-14 в 5730 лет в самый раз для датирования в археологическом масштабе времени, к чему мы сейчас идем.
Изотопом, часто используемым в масштабе эволюционного времени, яввяется калий-40 с его периодом полураспада в 1,26 миллиарда лет, и я собираюсь использовать его в качестве своего примера для объяснения в целом идеи радиоактивных часов.
Их часто называют калий-аргоновыми часами, потому что аргон 40 (он на единицу меньше в периодической системе) является одним из элементов, в которые распадается калий 40 (другим, в результате другого вида радиоактивного распада, является кальций 40, находящийся на единицу правее в периодической системе).
Если начать с некоторого количества калия-40, то через 1260 миллионов лет половина калия-40 распадется в аргон-40.
Это — то, что означает период полураспада.
Еще через 1.26 миллиардов лет распадется половина того, что оставалось (четверть от исходного) и так далее.
За промежуток времени более короткий чем 1.26 миллиарда лет, соответственно меньшее количество исходного калия распадется.
Итак, представьте, что вы начинаете с некоторым количеством калия-40 в закрытом пространстве, без аргона 40.
После того, как несколько сотен миллионов лет прошли, ученый наталкивается на то же самое замкнутое пространство и измеряет относительные пропорции калия 40 и аргона 40.
Из этой доли, вне зависимости от абсолютных количеств, зная период полураспада калия-40 и предполагая, что аргона вначале не было, можно оценить время, прошедшее с момента запуска процесса, иными словами, с того времени, как часы «были обнулены».
Заметьте, что мы должны знать соотношение родительского (калий 40) и дочернего (аргон 40) изотопов.
Более того, как мы видели ранее в этой главе, необходимо, чтобы наши часы были обнулены.
Но что имеется в виду, когда говорят о том, что радиоактивные часы были «обнулены»? Процесс кристаллизации придает этому смысл.
Как все радиоактивные часы, используемые геологами, калий-аргоновый отсчет времени работает только для так называемых магматических пород.
Магматические породы затвердевают из расплавленных горных пород — подземной магмы в случае гранита, лавы из вулканов в случае базальта.
Когда расплавленная порода отвердевает и формирует гранит или базальт, она затвердевает в виде кристаллов.
Эти, как правило небольшие, прозрачные кристаллы, как кварц, но кристаллы, которые слишком малы, чтобы выглядеть как кристаллы для невооруженного глаза.
Кристаллы бывают различных типов, и некоторые из них, такие как слюда, содержат атомы калия.
Среди них есть атомы радиоактивного изотопа калия 40.
Когда кристалл формируется в момент отвердевания магмы, присутствует калий 40, но нет аргона.
Часы «обнуляется» в том смысле, что в кристалле нет атомов аргона.
По прошествии миллионов лет калий 40 медленно распадается, и, один за другим, атомы аргона 40 заменяют в кристалле атомы калия 40.
Накапливающееся количество аргона 40 является мерой времени, прошедшего с момента образования породы.
Но по причине, которую я только что объяснил, эта величина имеет смысл только тогда, когда выражается как соотношение калия-40 к аргону-40.
Когда часы были обнулены, соотношение составляло 100 процентов в пользу калия-40.
Черех 1260 млн лет, соотношение будет 50 на 50.
Спустя еще 1260 млн лет, половина остававшегося калия-40 будет преобразована в аргон-40, и так далее.
Промежуточные пропорции показывают промежуточные времена, с момента когда кристаллические часы были обнулены.
Таким образом, геологи, измеряя соотношение между калием 40 и аргоном 40 в куске магматической породы, которую они берут сегодня, могут сказать, когда порода исходно кристаллизовалась из расплавленного состояния.
Магматические породы как правило содержат много различных радиоактивных изотопов, и не только калий 40.
Удачным аспектом того, как затвердевают магматические породы является то, что они делают это внезапно — так, что все часы в данном куске породы обнуляются одновременно.
Только магматические породы обеспечивают радиоактивные часы, но ископаемые почти никогда не встречаются в магматической породе.
Ископаемые формируются в осадочных породах, таких как известняк и песчаник, которые не являются застывшей лавой.
Они — слои грязи, ила или песка, постепенно отлогающиеся на дне моря, озера или лимана.
Песок или ил уплотняется в течение многих веков и твердеет, как камень.