Синтез элементов происходит не только в отдаленных галактиках, в звездах и центре Солнца. В атмосфере самой Земли рождаются необычные атомы.
Атмосферу непрерывно бомбардируют потоки космических протонов — ядер водорода, летящих со скоростью, близкой к скорости света. Уже в верхних слоях атмосферы протоны сталкиваются с ядрами азота и кислорода. При таких столкновениях сложные ядра азота и кислорода разрушаются и рождаются свободные нейтроны. Нейтроны, в свою очередь, взаимодействуют с веществом атмосферы и, конечно, чаще всего с ее основной составной частью — азотом. Иногда быстрый нейтрон выбивает из ядра азота протон и занимает его место. Происходит ядерное превращение: атом азота становится углеродным атомом. Только не обычным, а радиоактивным. В таком атоме на целых два нейтрона больше, чем в атоме самого распространенного изотопа углерод-12. Исторически радиоуглеродом принято называть углерод-14, хотя сегодня наберется десяток искусственных радиоактивных изотопов элемента № 6. Углерод-14 испускает ядерные электроны и со временем переходит в азот. За 5700 лет половина атомов радиоуглерода становится азотом.
Синтез радиоуглерода в основном протекает на высоте около пятнадцати километров. Во всей земной атмосфере за год образуется примерно семь килограммов радиоуглерода. Вспомним популярную задачу о сосуде с двумя отверстиями. В одно втекает, скажем, 7 килограммов воды в год, а в другое, проделанное в дне, вода вытекает. Вначале утечка мала, но с подъемом уровня воды повышается давление на днище сосуда и скорость утечки увеличивается. Наконец, когда в бассейне набирается 60 тонн воды, утечка становится равной притоку. Вода в бассейне остается на одном уровне. Шестьдесят тонн — равновесное количество.
То же самое происходит и с радиоуглеродом. Чтобы приток из атмосферы уравновешивался распадом, нужно 60 тонн углерода. Тогда в год будет распадаться 7 килограммов углерода. Столько же и накапливается в потоке космических частиц. В воздухе углерод окисляется и переходит в углекислый газ.
Двуокись углерода — одно из основных веществ, необходимых для возникновения живого организма. На каждый биллион молекул двуокиси углерода, содержащихся в воздухе, приходится одна, в состав которой входит радиоактивный углерод. Радиоактивные молекулы усваиваются растениями, животными, человеком. Таким образом, углерод всего живого в определенной степени радиоактивен. Каждую секунду в грамме «живого» углерода африканского слона или белого медведя происходит примерно 15 распадов углеродных атомов. Число распадов не зависит от географических координат. Взятый в Европе или Азии, на Антильских островах или в Карелии кусок живой ткани будет одинаково радиоактивым. Опыт показывает, что концентрация радиоактивного углерода одинакова во всем живом, населяющем нашу планету, хотя, на первый взгляд, белый медведь должен быть радиоактивнее слона — радиоуглерод образуется в полярных областях, прилегающих к магнитным полюсам. Попав в околоземное пространство, положительно заряженный космический протон движется вдоль силовых магнитных линий земного магнитного поля. Точнее, по винтовой линии, ось которой— силовая линия. Благодаря этому протоны попадают в атмосферу в области магнитных полюсов, где силовые линии «вонзаются» в земную поверхность. Там и возникают нейтронные потоки, протекают ядерные реакции, рождаются ядра не только углерода-14, но и трития — тяжелого радиоактивного водорода, бериллия с необычным числом нейтронов. Равномерное распределение радиоуглерода обеспечивает сама атмосфера: воздушный океан полностью перемешивается за пять, максимум десять лет — время, значительно меньшее потребного на установление радиоактивного равновесия углерода-14 в атмосфере.
Ученые в начале пятидесятых годов обратили внимание на два существенных обстоятельства: во-первых, организмы непрерывно усваивают из воздуха или с пищей двуокись углерода. Во-вторых, как только живой организм погибает, углеродный обмен с атмосферой, прямой или косвенный, прекращается. Таким образом, в тканях мертвых растений, в костях животных распавшийся радиоуглерод не пополняется и его концентрация становится все меньше и меньше. Следовательно, концентрация радиоуглерода связана со временем, прошедшим с момента гибели организма.
Писаная история человечества насчитывает несколько тысяч лет. Радиоуглеродные часы с заводом на тысячелетия как раз подходят для того, чтобы сложить отдельные фрагменты человеческой культуры в правильной последовательности.
Скорость распада углерода-14 вычисляют, измеряя время обычными часами. Допустим, в 100 году предмет содержал 200 граммов радиоуглерода, а 5700 лет спустя, в 6700 году, в нем осталось половина — 100 граммов. Тогда говорят, что период полураспада углерода-14 равен 5700 лет.
На деле, конечно, период полураспада изотопа измеряют сразу. «Сразу» — означает несколько часов, иногда суток. Физику достаточно знать, сколько атомов изотопа X распадается за секунду, чтобы по простым формулам рассчитать период полураспада.
Период полураспада радиоуглерода одного порядка со временем существования человеческой культуры. Если бы углерод-14 распадался наполовину, допустим за 100 лет, то в деревянных изделиях Древней Греции не осталось бы никаких следов углеродной активности. Столетний изотоп пригодился бы для измерения возраста предметов не старше 1000 лет. С другой стороны, очень большой период полураспада, например миллион лет, означал бы, что в предметах тысячелетней давности число радиоактивных атомов практически не изменилось. Возраст египетских деревянных предметов определить бы не удалось. Таким образом, углерод-14 как будто бы нарочно создан для датировки человеческой истории. Особенную роль радиоуглеродный способ сыграл при изучении культуры Американского континента, где не было оставлено никаких письменных памятников, если не считать записей индейцев майя.
В середине сороковых годов американские ученые обнаружили пещеру, в которой оказался целый склад доисторической обуви: триста пар плетеных сандалий. В то время казалось, что дату их изготовления определить не удастся, хотя это и было очень важным для изучения истории человека на Американском континенте.
Прошло несколько лет — и доисторическая обувь попала в лабораторию физиков. По числу распадов углерода они установили возраст находки — он оказался равным 9000 лет.
Измерение числа распадов радиоуглерода — дело кропотливое. Процесс измерения начинается с того, что углерод, выделенный из изучаемого объекта, переводят в углекислый газ. Газом заполняют счетчик электронов, по своей конструкции ни в чем не отличающийся от первых счетчиков ядерных частиц, сконструированных Резерфордом и Гейгером. При распаде каждого атома радиоуглерода вылетает электрон, который и будет зарегистрирован счетчиком. К сожалению, приборы реагируют не только на распад атомов углерода-14. Чувствительный счетчик, если его оставить открытым на лабораторном столе, буквально захлебнется от потока частиц, не имеющих ничего общего с распадом атомов радиоуглерода. Счетчик атакуют космические пришельцы: мезоны, гамма-лучи, быстрые протоны. На их фоне невозможно заметить редкие импульсы радиоуглеродов. Поэтому счетчик окружают толстым — до полуметра — слоем железа. Но и в самом железе содержатся примеси радиоактивных атомов. Хотя этих атомов в железе немного, их излучение уменьшает точность измерений, особенно когда изучают предметы старше 10 тысяч лет. Приходится дополнительно защищать счетчик. На него надевают цилиндр, заполненный тщательно очищенной ртутью. Такая двойная шуба укрывает счетчик практически от всех излучений, за исключением мезонов. Мезоны слабо поглощаются веществом и проникают через любую защиту. Чтобы избавиться от мезонного фона, счетчик окружают вспомогательными счетчиками Гейгера. Мезон не может попасть в главный счетчик, минуя один из вспомогательных. Электронная аппаратура при прохождении мезона через главный счетчик одновременно регистрирует два импульса: импульс главного и одного из вспомогательных счетчиков. По этому признаку и исключают мезонный фон. Двойные импульсы не учитываются. Благодаря таким мерам удается определить возраст предметов, пролежавших в недрах Земли или на дне океана до 50 000 лет. Если из предмета можно извлечь большие количества углерода (для этого он должен быть достаточно велик) и на специальных установках по разделению изотопов выделенный углерод обогатить изотопом углерод-14, то возможности метода расширяются до 70 000 лет.
Во всех предыдущих рассуждениях подразумевалось, что концентрация радиоуглерода всегда (точнее— за отрезок времени, в котором применим радиоуглеродный метод) оставалась в атмосфере постоянной. Если бы по каким-то причинам скорость образования радиоуглерода в другие времена менялась, то и концентрация изотопа углерод-14 была бы переменной. Допустим, 10 тысяч лет назад в атмосфере было меньше радиоуглерода, чем в наши дни. Тогда в древних растениях первичная концентрация радиоуглерода была бы меньше, чем в современных. Число распадов на грамм углерода десятитысячелетних находок окажется меньше ожидаемого, измеренный возраст будет завышен.
Изменения притока углерода-14 в атмосферу пропорциональны колебаниям интенсивности космических лучей, падающих на Землю.
Какие же причины влияют на поток космических частиц? Энергичные протоны и другие составляющие космического излучения приходят к нам из далеких областей, находящихся вне Солнечной системы. Они отклоняются от Земли магнитным полем Солнца. Чем больше пятен на поверхности нашего светила, тем мощнее плазменные гейзеры, вырывающиеся из его недр, тем сильнее токи и магнитные поля, опоясывающие Солнце, тем большая доля протонов уходит в сторону от нашей планеты. В атмосфере количество радиоуглеродов начинает уменьшаться. Приходится вносить поправки.
На ближайшие от нас тысячелетия сделать исправления сравнительно просто. Оказывается, на Земле существуют очень древние живые организмы. Возраст американской колючей сосны достигает шести тысяч лет. Распилив поперек ее ствол, можно насчитать шесть тысяч годовых колец. Теперь, если взять пятитысячное кольцо, считая от коры, то в нем будет содержаться углерод, усвоенный деревом пять тысяч лет назад. Можно измерить число распадов в этом веществе и по нему рассчитать истинную концентрацию радиоуглерода в атмосфере во времена образования кольца. На основании таких данных и вносят поправки в углеродную хронологию на ближайшие от нас пять-шесть тысяч лет.
Как-то раз углеродным методом мерили возраст травы, выросшей у обочины автодороги. Получалось, что трава растет здесь... несколько тысяч лет! Немного времени потребовалось, чтобы найти разгадку этого чуда. Придорожные растения вместе с природной двуокисью углерода усваивали углекислоту, попавшую в воздух из выхлопных труб автомобилей. В продуктах сгорания нефти радиоуглерод полностью распался — ведь нефть образовалась миллионы лет назад. Поэтому-то средняя концентрация радиоуглерода в траве и была незначительной, соответствующей тысячелетним растениям.
Ошибки возникают и при датировке старинных деревянных строений. В старину дома часто перестраивались и в ход пускались уже бывшие в употреблении бревна.
Тем не менее метод радиоуглеродной датировки оказался весьма плодотворным и достаточно точным. Одна из наиболее интересных проблем, которая решена с его помощью, — установление хронологии изменений климата, происходивших за последние 40 000 лет. На этот отрезок времени приходится три ледниковых периода. Наступая на юг, льды все сметали со своего пути, под корень срезали вековые деревья. Скрытые ледниковыми наносами, дошли до нас остатки древней растительности. В их углеродной памяти сохранились даты продвижения континентальных льдов. Отступал перед ледниками и человек. Угли доисторических костров означают границы продвижения ледников. По распаду радиоуглерода в этих останках ученые и составили график движения льдов в периоды изменений земного климата.
Есть и другие удивительные возможности заглянуть в прошлое нашей Земли, добыть сведения о ее климате в далекие времена. По отношению изотопов кислорода, входящих в состав скелетов древних обитателей озер и морей, можно рассчитать температуру воды, в которой они жили. Существует определенная связь между температурой и отношением концентраций изотопов кислород-18 и кислород-16. Если, вдобавок, из изучаемых скелетов выделить углерод и определить их возраст, то в наших руках окажутся сведения о температуре океана в отдаленные эпохи. Средняя температура воды характеризует климат на планете. По этим данным ученые пришли к заключению, что последние 10 тысяч лет не было похолоданий, а в течение предыдущих 27 тысяч лет температура Земли была ниже современной.
Таким образом, распад атомных ядер помог решить фантастические задачи: измерить возраст деревянных изделий, изготовленных человеком десятки тысяч лет назад, определить температуру водоемов во время ледниковых периодов. Уголь древних очагов рассказал ученым и о том, что на Американском континенте человек появился примерно 10400 лет назад.
Однажды в начале века английским археологам сообщили о находке неподалеку от небольшого старинного городка Пилдтауна черепа и других костей скелета древнего человека. По земным слоям, в которых были погребены доисторические кости, форме зубов и черепа ученые определили их возраст. И с этого момента родилась загадка пилдтаунского человека. Скелет оказался самым древним из когда-либо обнаруженных на территории Англии, гораздо старше 10 тысяч лет! А ведь по всем другим данным первые люди ступили на острова нынешней Великобритании впервые 10 400 лет назад. Опровергались, казалось бы, твердо установленные наукой факты...
С появлением радиоуглеродных часов дата рождения, вернее смерти, пилдтаунского человека была уточнена. В счетчик бета-частиц поместили углерод из его костей, и неожиданно бета-частицы посыпались как из рога изобилия — 14 распадов на грамм! Концентрация углерода-14 в костях древнейшего пращура была такой же, как и у лаборантки, заносившей в журнал измеренные числа распадов.
Когда к подозрительному скелету пригляделись повнимательнее, выяснилось — скелет специально обработан, чтобы ввести в заблуждение археологов.
Радиоуглеродный метод внес большой вклад в разработку ранней истории человечества и зависимости ее от климатических изменений. Установлены даты многих интересных событий: вулканических извержений, исчезновения многих древнейших животных, таких, как мастодонт или гигантский ленивец.
Для временных масштабов, соизмеримых с возрастом нашей планеты, для датировки геологических эпох нужны часы, стрелки которых могли бы отсчитывать миллионы и миллиарды лет.