Человек живет на Земле уже около 500 тысяч лет. Органическая жизнь возникла на нашей планете примерно миллиард лет назад. Ископаемых животных и ископаемые растения изучают палеонтологи. Они восстанавливают последовательность событий, последовательность развития жизни по чередованию пластов земной коры. Скелеты и отпечатки древних организмов на камнях рассказывают им об эволюции жизненных форм. Однако по земным пластам узнать абсолютное время событий весьма сложно, хотя примерные оценки иногда и удается сделать. Еще труднее определить возраст горных пород. Нужны часы с гораздо большим запасом хода, чем радиоуглеродные.

Медленно, каплями, сочится вода из отверстия в дне золоченой чаши и наполняет другой сосуд с горизонтальными полосами-метками. Вот вода достигла верхней черты. Отсчитана еще одна единица времени.

Так, по скорости истечения воды определяли время в Древнем Египте и других странах: Вавилоне, Греции.

Почти так же, как водяные часы — древние клепсидры, действуют и радиоактивные часы, основанные на распаде изотопов нестабильных элементов. В радиоактивных часах атомы одного химического элемента «перетекают» в атомы другого. Только чаша клепсидры опорожняется за время, измеряемое часами, а «материнские» атомы урана-238, тория-232, рубидия-87, калия-40 стекают по желобу ядерных превращений за многие миллиарды лет. Чем больше атомов исходного материнского изотопа перешло в дочерний, тем более длительное время происходил распад.

Природный уран в незначительных концентрациях содержится во многих минералах. Уран-238 за 4,5 миллиарда лет наполовину переходит в свинец. Если из минерала выделить уран и свинец, то по их отношению можно узнать время, когда образовался минерал. Конечно, при этом нужно быть уверенным, что система была замкнутой: с момента образования минерала уран из него не вымывался и не поступал из каких-то внешних источников. То же самое относится и к свинцу.

На деле все обстоит еще сложнее. Ведь земной свинец образовался не только в результате распада урана или тория. Кроме такого, как говорят физики, радиогенного, в земной коре содержится и свинец, ядра которого, как и ядра других элементов, родились в ядерных реакциях, протекавших во времена синтеза элементов Солнечной системы. Самая сложная проблема датировки минералов ураново-свинцовым методом и заключается з определении доли первозданного свинца в урановой руде, с тем чтобы учесть его при определении возраста руды.

Остановимся несколько подробнее на процессе распада изотопов природного урана. У каждого из них своя сложная цепь радиоактивных превращений. Атомные ядра этих цепей испытывают два вида радиоактивного распада: альфа-распад, о котором мы уже говорили, и бета-распад.

На первом этапе уран-238 становится радиоактивным торием, затем легким изотопом урана... В конечном итоге, испытав за 4,5 миллиарда лет свыше десятка превращений, половина урановых ядер переходит в стабильный свинец-206. Уран-235 по другой цепи превращений, в свою очередь, становится изотопом свинец-207. На каждое превращение урана-238 в свинец рождается восемь альфа-частиц, а на каждое превращение урана-235 в свинец — семь. Альфа-частицы тормозятся в веществе и становятся атомами гелия.

На заре развития ядерной физики, в 1907 году, американский ученый Болтвуд, работавший в то время в английском городе Манчестере под руководством Эрнеста Резерфорда, предложил определять время рождения минералов, в состав которых входит уран, по содержанию в них гелия.

Еще в 1904 году Резерфорд писал: «Рассмотрим ради примера очень плотный минерал, в котором гелий непрерывно образуется из радия, но не может просочиться наружу. Содержание гелия в минерале со временем постепенно увеличивается, и общее его количество должно быть пропорционально возрасту минерала и содержанию в нем радия. Если скорость образования гелия из радия равна указанной величине, то можно подсчитать достаточно точно, что минерал торианит имеет возраст, по крайней мере, 500 миллионов лет, что равно времени, прошедшему с момента формирования данного минерала в земной коре. Это минимальная оценка, так как, вероятно, некоторое количество гелия с течением времени выделилось из минерала. Подобные же результаты были получены при исследовании других радиоактивных минералов... Я уверен, что когда константы, используемые в этих расчетах, будут точно определены, то этот метод окажется наилучшим методом точного определения возраста радиоактивных минералов». В 1904 году еще не были достаточно полно изучены цепи радиоактивных превращений урана. Поэтому Резерфорд говорит о радии. Количество радия пропорционально урану, содержащемуся в минерале. Правильнее учитывать альфа-частицы, рождающиеся во всех звеньях цепи распада уран— свинец.

Уже в те времена было доказано, что при любых возможных на Земле условиях — температуре, давлении, в любых химических соединениях строго поддерживается постоянная скорость радиоактивного распада. Поэтому чем больше в минерале на единицу массы урана приходится гелия, тем он старше. Из килограмма урана за 4,5 миллиарда лет выделяется 60 граммов гелия. Возраст слоев земной коры, если они сложены из очень плотных пород, удерживающих гелий, можно определить этим методом.

Засевшие в кристаллической решетке минерала атомы гелия извлекают, предварительно раздробив породу. Мельчайшие частицы поступают в химическую переработку— вещество растворяют в кислотах и раствор кипятят. Гелий постепенно выделяется из нагреваемого раствора и его собирают. Извлекают из раствора и уран. Количества гелия и урана — исходные данные для расчета возраста горных пород.

Палеонтологи, определив по ядерным часам даты отложения земных пластов, добывают сведения о периодах обитания доисторических животных — причудливых чудовищ, населявших Землю миллионы лет назад. Датируются, как правило, не останки самих ископаемых животных, а окружающие отложения продуктов жизненной среды, в которой они обитали. Поэтому ядерно-физические и геологические исследования идут рука об руку.

Удается определить периоды обитания таких ископаемых, как арсинитериум или птеродактиль, населявших Землю соответственно 40 и 180 миллионов лет назад. Задача решается, как правило, другими средствами — во многих случаях гелиевый метод ненадежен. За многие миллионы лет, которые минерал пролежал в земном пласте, часть солнечного газа из него улетучится. Учесть утечку практически невозможно. Тем более что за гелием прочно удерживается слава самого необычного, самого текучего и проникающего газа.

Не всегда пригоден и уран-свинцовый метод. Нелегко бывает узнать долю свинца радиогенного происхождения. Ведь в породе зачастую примешаны и свинцовые изотопы, родившиеся в процессе синтеза элементов Солнечной системы, да еще иногда примеси урана и тория встречаются одновременно. Нужно уметь отличить свинец ториевого происхождения от уранового свинца. В цепи распада урана на пути к свинцу встречается и благородный газ радон. Если порода пористая, то радон — продукт распада примесного урана — выйдет из минерала и где-то в другом месте превратится в свинец. Измеренный возраст окажется меньше истинного.

Точность уран-свинцового метода и его надежность повышаются благодаря масс-спектрометрическим измерениям. Масс-спектрометр сортирует радиогенный свинец по отдельным изотопам. У каждого из них свое происхождение. Свинец-206 накопился из урана-238, свинец-207 — потомок урана-235, а свинец-208 — продукт распада тория-232.

Изотопный анализ дает возможность учесть при определении возраста первичный свинец. Дело в том, что в природных минералах вкраплен свинец-204, который не возникает в цепях превращений ни одного из природных радиоактивных элементов. Иными словами, ядра свинца-204 только первичного происхождения. Изотопный состав первозданного свинца (отношение количеств изотопов в данном химическом элементе) неизменен и был определен после масс-спектроскопического анализа железных метеоритов, в которых нет ни урана ни тория и радиогенный свинец не мог накопиться. Стало возможным по количеству свинца-204 определять полное содержание первозданного свинца в изучаемых породах и вносить требуемую поправку.

Свинцовый способ, после его дополнения изотопным анализом, стал надежным средством определения времени возникновения горных пород. Если возраст породы не очень велик, то точность метода становится недостаточной — за это время лишь незначительная доля урана переходит в свинец. Ничтожная примесь радиогенного свинца не позволяет определить возраст такой породы.

Но вот минерал, в котором никогда не было урана. Как отмерить прожитые им годы?

Во многих важных для геологов случаях выручают калиевые соединения. Их содержат такие распространенные минералы, как полевые шпаты и слюды.

Изучение изотопов калия привело к неожиданному открытию. Калий с атомным весом сорок оказался радиоактивным, с периодом полураспада, подходящим для датировки геологических эр. Изотоп калий-40 испытывает бета-распад и превращается в распространенный изотоп кальция. Кальций радиогенного происхождения отделить в минералах от кальция первозданного, образовавшегося во время синтеза элементов Солнечной системы, невозможно: элемент слишком распространен в природе и небольшую добавку радиогенного кальция учесть нельзя. Но в распаде калия-40 есть одна замечательная особенность. Его ядро может не только испускать ядерный электрон и при этом переходить в устойчивый кальций, но и захватывать с орбиты своей оболочки электрон и превращаться в аргон — элемент с низшим атомным номером. Аргон в минералах только радиогенного происхождения. Первичный аргон «выкипел» еще из расплавленного вещества Земли и, будучи инертным газом, при образовании земной коры остался в атмосфере. Ведь создать твердое вещество, в которое входит аргон, химики сумели совсем недавно. Синтетические соединения аргона крайне неустойчивы и в природных условиях распадаются. Поэтому, если удалось определить количество аргона в породе, то нетрудно рассчитать и ее возраст.

Калиево-аргонные ядерные часы намного точнее гелиевых. Потери аргона за геологические времена не очень велики — аргон менее подвижен, чем гелий. И все же утечкой аргона пренебрегать нельзя. Возьмем обычный гранит. Он сложен из калиевого полевого шпата и слюды. Отделив слюду от шпата, выделим из них аргон, измерим количество калия-40 в том и другом минерале и вычислим возраст. И здесь нас встречает неожиданность. Шпат оказывается моложе слюды. Но ведь образовались они одновременно. В чем тут дело?

Слюда прочнее удерживает аргон, и кажущаяся молодость шпата — результат утечки. Напрашивается вывод— шпаты не годятся для измерения возраста.

Советские ученые выяснили, что в некоторых видах полевого шпата аргон сохраняется почти без потерь, когда в других утечка слишком велика. Поэтому, если отделить хорошо удерживающие аргон шпаты и пользоваться только ими при оценке прожитых породой лет, то ошибка будет устранена. Калиево-аргонным способом датируют породы, начиная с возраста 100 тысяч лет и выше. Свинцово-урановому методу доступны только времена, исчисляемые, как минимум, миллионами лет.

За последние годы разработан еще один метод определения геологического возраста. После радиоактивного распада изотопа рубидий-87 образуется стронций. Возраст геологических эр определяют по отношению стронция к рубидию в минералах, в которых первозданный стронций не содержался. Это прежде всего слюды — мусковит, биотит, лепидолит. Стронциевым методом определяют возраст древнейших гранитов и слюд. Рубидий медленно распадается в стронций, — должно пройти 50 миллиардов лет, чтобы половина рубидия перешла в стронций. Возраст пород, которые моложе 5 миллионов лет, стронциевыми часами уже не измерить, — они слишком грубы для такого промежутка времени.

Когда земной шар остывал, атомы вещества стали формироваться в твердые тела. Возникали кристаллы, в которых атомы застывали в строгом порядке. Только в плотных твердых телах продукты радиоактивного распада оставались рядом с материнскими ядрами. В жидком расплаве атомы свободно перемешивались, и, так как у продуктов распада химическая природа совсем иная, чем у материнских ядер, дочерние ядра концентрировались в других местах. Все методы, о которых мы рассказывали, отсчитывают возраст вещества, начиная с момента его кристаллизации.

В последние годы стали применяться ядерные часы, основанные на самопроизвольном или, как чаще говорят, спонтанном делении урана. По сравнению с другими видами распада деление — редкий процесс.

Среди миллиона малых ядерных катастроф, когда из тяжелого урана вылетают легкие альфа-частицы, происходит «большой взрыв» — уран сам по себе разваливается на два ядра-осколка. Заряженные положительно, осколки отталкиваются друг от друга, разлетаются с громадной скоростью, внедряются в структуру твердого тела и оставляют за собой след — смещенные со своих мест атомы.

Осколочные следы практически не затушевываются другими повреждениями.

Новый метод позволил изучить возраст древних природных стеклоподобных образований, некоторых метеоритов. По следам деления определены концентрации урана и возраст очень мелких зерен различных материалов.

Метод датировки по следам осколков деления применим в очень широком интервале времени: можно с высокой точностью определить и дату образования слюды, возраст которой несколько сот миллионов лет, и время изготовления вазы из уранового стекла, отлитой в прошлом веке. Дело в том, что регистрируются отдельные акты распада. Достигается громадная чувствительность. Один микрограмм радиогенного свинца — количество, с трудом обнаруживаемое химическими способами, — накапливается, когда 2,5×10¹⁵ ядер урана — число астрономическое — проходят по долгой цепи превращений.

Зато зарегистрировать следы урана в веществе удается по нескольким десяткам самопроизвольно разделившихся ядер.

Загадка возраста Земли волновала человечество с незапамятных времен. По библейским текстам, наша планета сотворена 6 тысяч лет назад. Древние халдеи, жившие в Месопотамии, считали, что Земле два миллиона лет.

Когда ученые стали оценивать возраст земного шара, то они сразу поняли, что речь должна идти о многих десятках или даже миллиардах лет. Известный английский физик Вильям Томсон, позднее лорд Кельвин, подсчитал, что если в момент образования Земля была нагрета так же, как Солнце, то до теперешней температуры она должна была остывать 24 миллиона лет. Лорд Кельвин в своих расчетах не учитывал дополнительного тепла, выделившегося в Земле благодаря распаду радиоактивного вещества. А учесть следовало. Громадное количество тепла освободилось после распада радиоактивного калия-40 и других изотопов. Поэтому в дальнейшем оценка времени, которое пошло на образование на Земле твердой коры, непрестанно повышалась — сначала до 200 миллионов лет, а затем и до двух миллиардов.

Возраст самых древних горных пород и равен времени, прошедшему с момента образования устойчивой земной коры до наших дней. Теперь если к возрасту древнейших минералов прибавить время, необходимое для образования твердой коры на жидком земном сфероиде, вычисленное современной счетной машиной, то получится полный возраст Земли.

Древнейшие породы залегают под громадными толщами отложений. Только в некоторых местах они выходят на поверхность. Такие места геологи называют докембрийскими щитами. Есть они и на территории Советского Союза — в Карелии, на Украине. Возраст древнейшей гранитной плиты, исследованной на Кольском полуострове, насчитывает 3,4 миллиарда лет.

Получается, что полный возраст планеты, на которой мы обитаем, порядка пяти миллиардов лет.

Можно измерить и по-другому возраст Земли. Считается, что метеориты возникли одновременно с Землей. Будучи малыми по объему, они очень быстро остывали, и отсчитанное ядерными часами время жизни метеоритов практически совпадает с возрастом Земли. Ведь свинец затвердевшего метеорита, образовавшийся из урана, не мог переместиться куда-либо в другое место.

Когда измерили концентрацию урана и свинца в каменных метеоритах (только в них содержится уран), в их паспортах в графе «возраст» появились цифры, близкие к пяти миллиардам лет. Два разных способа дали одинаковые результаты. Ныне принято считать возраст Земли несколько большим пяти миллиардов лет, и вряд ли в будущем произойдут существенные уточнения.

Итак, распад атомного ядра помогает человечеству решить многие научные проблемы, связанные с историей Земли, строением земной коры, с изучением распределения полезных ископаемых.

«Мы перестали верить в неизменяемую вечность атомов, все течет, все изменяется, все разрушается и вновь создается, одно отмирает, другое рождается, — так течет история химических процессов мира во времени. Но даже и смерть атома человек сумел превратить в орудие познания мира и сделал из нее эталон времени», — писал академик Ферсман.