Фолсом - Происхождение жизни - 1982 (947300), страница 4
Текст из файла (страница 4)
лет, возгаст звиад и планвт 2Б т. е. в предположении, что будет израсходован весь водород. Второе приближение было улучшено, но мы не будем рассматривать здесь, как это было сделано, так как более точные результаты не вносят ничего нового в наши представления об эволюции звезд в той мере, в какой они связаны с вопросами происхождения жизни. Теперь, когда нам известны максимальные времена жизни звезд и Солнца, можно перейти к следующему вопросу: каков возраст нашей планеты и подобных ей телг Но прея«де чем ответить на этот вопрос, его следует сформулировать как можно более точно.
Мы можем определить, как долго какой-либо минерал находился в кристаллическом состоянии, или в течение какого времени определенный метеоритподвергалсябомбардировке космическими лучами, или даже (в гораздо менее внушительных масштабах) сколько лет данному куску дерева. В действительности «возраст» дает ответы на все вопросы типа «как долго, в течение какого времени или сколько лет прошло с некоторого события», причем ответы на эти вопросы основываются на атомнои химии.
Ка»кдый атом любого химического элемента состоит из ядра, находящегося в центре и состоящего из протонов и нейтронов, и внешнего облака отрицательно заряженных электронов, облада«ощих гораздо меныпей массой. Одним из триумфов химии бьшообъяснение нафизической основе того эмпирического факта, что элементы могут быть расположены в виде периодической таблицы, в которой они следуют друг за другом в порядке, соответствующем числу протонов в их ядрах (рис. 2.2).
Злементы, расположенные таким образом, проявляют периодически повторяющееся сходство химических свойств. Атом простейшего элемента, водорода, состоит из единственного протона, связанного с одним электроном. Но число нейтронов в ядре водородного атома неопределенно — оно может изменяться. Формы водорода с различным числом нейтронов называют и»стопами водорода, их массы изменяются от 1 до 3 а.е.м.
(рис. 2.3). Изотопы водорода можно отделить друг от друга п измерить количество каждого из них. Различные изотопы одного и того же элемента содержат разное число нейтронов в ядрах их атомов. Хотя химические свойства изотопов каждого данного элемента, Ф~ ФС Ф о.ф. $ ...ф оф $3" Воф о Ю М фно оф Ф йн$ о 3 ф ф фф Яф $". фф о ф фф ф л ф, 'о ф о фюо офф ффф фоф ф ф ф мфф ффф о,ф о В ф ф М ф ф Фф ф офо ( В ф З ффф Ф офф ф ф ф йрф йЯф фон Ф о,ф о о о ф ф ф йв ~ ф дфР СЧ ф ф ф ф ~86 возраст зввзд и планах 2т ° Яммпрол лайрад,гасни дгаллавй, Лаем. )ритид Ялам лзлйтиям уаммтиьм яайаваэвйвмй Рис.
2.3. Изотопы водорода. У всех трех изотопов водорода имеется единственный орбитальный алентрон, но они отличаются по массе ядер (и по устойчивости). Устойчивые водород и дейтерий имеют один протон и один протон плюс один нейтрон соответственно; в ядре нестабильного (радиоактивного) трития находятся один протон и два нейтрона. по существу, совпадают, между изотопами существуют два вал~ныл различия, которые и составляют основу для схем определения возраста. Во-первых, в ультрамикромире атомов и молекул химические реакции обусловлены их скоростями.
При одинаковых ускоряющих воздействиях более тяжелые частицы приобретают мепьщие скорости, чем более легкие. В результате этого более легкие изотопы легче вступают в химические реакции, быстро протекающие в одном направлении. Так, в биологических системах изотоп ааота ыМ реагирует легче, чем более тяжелый изотоп 'зХ, и поэтому биологические системы стремятся накопить большее количество ВХ, чем 'зХ. Аналогично происходит и обогащение изотопом "С по сравнению с 'зС и 'з0 по сравнению с 'з0, Это селективное обогащение биологических систем легкими изотопами может быть измерено. Во-вторых, изотопы обладают различной устойчивостью. Физическая теория пока ие может этого объяснить, но факты таковы, что некоторые сочетания протонов и нейтроноэ устойчивы, тогда как другие неустойчивы и подвергаются радиоактивному распаду.
И водород 'Н, и дейтерий тН устойчивы, но трития Ч( распадается, высвобождая высокоскоростной электрон, называемый р-частицей; в этом процессе зН превращается в зНе. Изотопы углерода "С и 'зС устойчивы, но '"С распадаотся с освобождеиием р-частицы, превращаясь в устойчивый 1зХ. Аналогично изотопы калия ззК и ИК устойчивы, ко 3э глана в Пример в-распада бог-кэстил Ь (дсевг 1д проптнод и 1д ктйлрвмэд1 + 1 длсоквэнертптческий змктргн Пример эпектроннап лэкдаэтэ + 1 у-фотон Рнс.
2,4. Механизмы радиоактивного ресваде. Существует трн типа распаде радиоактивных изотопов: непускание а-чвствцы, в котором ядро одновременно теряет две протоне в дее невтрона (а-частицу); р-распад, в котором теряется одни высокоевергетвческвй электрон, в электронный захват, з нотором теряется один высокоэнергетический (т) фотон. еоК распадается, испуская р-частицу и превращаясь в "оСа. 4оК может распадаться и по другому пути (называемому путем электронного захвата), в котором один из находящихся на орбите электронов захватывается ядром и соединяется с протоном, образуя нейтрон.
В етом случае продуктом является еоАг. Многие иа более сложных элементов, имеющих большее число протонов н нейтронов, распадаются на продукты, которые сами радиоактивны. Рядами радиоактивного распада характеризуется поведение хх% и мзг) Часто в этих процессах распада испускаются а-частицы (ядра гелия, состоящие из двух нейтронов и двух протонов). Процессы распада радиоантивпых иаотопов можно подразделить на группы по типам распада (рнс.
2.4). Ядра, испускающие электрон (р-частицу), ~е просто выбрасывают находившийся нз орбите электрон; он появляется в ВОВРАст ЭВвзд и плАнзт 29 ядре при распаде нейтрона на протон и электрон. В атом процессе, называемом р-распадом, атомный номер увеличивается на единицу и один элемент превращается в другой. При а-распаде атомный номер уменьшается на две единицы (теряются два протона), а масса — на четыре (два протона плюс два нейтрона) па каждую выбрасываемую а-частицу.
Электронный захват (или К-захват) является процессом, обратным испусканию р-частицы, поскольку при этом протон ядра захватывает внутренний электрон с К-орбиты и становится нейтроном. При К-захвате атомный номер уменьшается на единицу, а масса остается неизменной. Скорость, с которой распадается радиоактивный изотоп какого-либо элемента, строго постоянна для него, она не зависит ни от каких изменений окружающей среды. Скорости распада обычно выражают в периодах полураспада; период полураспада изотопа — это время, требуемое для распада половины его имеющегося количества. Тогда как точный момент распада каждого отдельного атома предсказать невозможно, периоды полураспада определяют со значительной точностью, поскольку этот процесс подчиняется статистическим ааконам.
Даже в очень маленьких по раамеру образцах вещества присутствует большое число атомов, например 1 г углерода содержит около 5 10зз атомов. В табл. 2.1 приведены периоды полураспада и константы распада некоторых элементов, наиболее часто используемых для установления возраста, Сущность большинства схем установления возраста состоит в измерении содержания материнских и (или) дочерних изотопов с очень высокой точностью. Отношение изотопов, подставленное в соответствующую формулу, дает воаможность оценить возраст вещества, Этот возраст отвечает времени, в течение которого минерал находился в кристаллическом состоянии.
Ниже приводится несколько примеров. Углеродные (мС) часы, разработанные Уиллардом Либби, приносят большую пользу в археологии и в датировке равличных событий, причем их принцип иллюстрирует принципы методов датировки в целом. Земля с постоянной скоростью подвергается бомбардировке высокоэнергетическими частицами космических лучей. Эти высокоскоростные частицы, в основном протоны, взаимо- 30 глава г Таблица 2.1 Перноды полураспада н другне данные о невоторых элементах, неповьвуемых прн определении возраста 1,216 10 ' 0 585,Ю-хо 5,7 Ю' 1,3.10е !ел ;.-Распад хзс Зпептронный захват бо-Распад «-Распад (рнд распада) То же зоАт ззК 4,720.Ю хо 1,474 10 хх 4.99 10 х' зеСа ет8т зееРЬ н 0 а-частвц з"'РЬ н 7 я чвстпц "еРЬ н 8 с"чвстнц 4,7 10хз 1 '39 10хз '7,13 Ю' 4,51 10' зтКЬ хзгГ1, 972 Юхе 1,537 ° 10 хо заец ' В пелоторых случаях вместо периодов полураспада ясаольауются монс.
таяты распада. Константе распада я связана с пернодом полураспада еде дующим обрааом: ~с г онпз Пернод полураспада я л действуют с молекулами атмосферы с образованием пейтронов, энергия которых достаточна для того, чтобы их поглотили ядра ")ч. Каждый атом 'е)ч, подвергшийся такому воздействию, превращается в "С вЂ” радиоактивный изотоп с периодом полураспада 5730 лет. Изотоп '4С образуется и расходуется с постоянными скоростями. С помощью специальпых счетчиков Гейгера и точных химических анализов моху~но измерить количество '4С по отношению ко всем изотопам углерода. Общий запас углерода на Земле — двуокись углерода в воздухе и в океанах, кврбопатные минералы в горных породах и живые организмы — содержит равновесное количество 'еС, равное 1,2 ° Ю 'г г на 7 г всего углерода.
Когда организм погибает, содержащийся в нем углерод временно выводится из мврового круговорота углорода. возгаст зввзд и пльнвт З1 Содержание "С в нем начинает убывать, поскольку в систему не поступает новый углерод. Для исследуемого образца данные о содержании "С и всего углерода можно объединить с данными о периоде полураспада углерода (одна константа) и о равновесном количестве '4С (другая константа) и получить время, прошедшее с того момента, когда образец был выведен из цикла углерода. На практике точность и охват измерений ограничены.
Для системы '4С граница проходит иа уровне, отвечающем примерно 10 периодам полураспада, или 57 300 лет, — времени, аа которое остается всего около 0,001 его равновесного значения (или 0,16 раси~мин г). Этот отреаок времени — всего лишь мгновение в хронологии Земли. Для датировки древних горных пород необходимы другие методы. Принцип использования радиоактивных изотопов или их продуктов остается полезным, но в данном случае требуются изотопы с большими периодами полураспада. Рассмотрим ураноносную породу. Допустим, что Все материнские изотопы вошли в ее состав во время кристаллизации и ни материнские, ни дочерние изотопы с тех пор и до настоящего времени не были утеряны (на практике данное допущение справедливо далеко не всегда, и мы еще столкнемся с зтим). Породы, в состав которых входят уран и торий, содержат оба изотопа урана ('ззО, зз%) и зззТЬ наряду с четырьмя изотопами свинца (ю4РЬ юзР) зогР~ ',, юзр) ) Изотоп ииРЬ не ообразуется каким-либо известным радиоактивным источником и, по-видимому, является первичным изотопом.
Три других изотопа представляют собой продукты распада урановых и ториевых изотопов. В табл. 2.2 приведены родоначальники различных изотопов свинца и их периоды полураспада. В идеальном случае отношения свинца к урану (или торию) должны приводить к одному и тому же значению возраста, что обеспечивает независимое подтверждение правильности результатов определения. Чем старше порода, тем меньше в ней урана и больше свинца. Отношение ™РЬ/ю~РЬ может служить в качестве часов, поскольку "зП имеет гораздо меньший период полураспада, чем м%. Этим способом был определен возраст многих пород, н в целом результаты вполне согласуются между собой. 32 глАВА 3 Таблица 2,2 Источники изотопов свинца, найденных н минералах, содержащих уран п торий' Период полураспада, соды Иготоа сеиндн (содержание) Предшестаенннн Неизнестен гооП (среднее содержание) " РЬ (2,0%) гоаРЬ (1Я Яо/о) гогРЬ (20 6о/о) го'РЬ (58,6 е4) 4,5 10о 7,13 10а гагП (ииакое относительное содержание) 'о'ТЬ (наинысшее относительное содержание) 1,39 Юге г Процентное содержание изотопор свинца приведено дня метеорита Сапуоп 01аыо.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
