Радиоактивность – это естественный процесс. Она воплощает идею о том, что все в нашей жизни, даже сама материя, находится в постоянном изменении. В некоторых случаях это изменение происходит мучительно медленно, поэтому мы называем некоторые атомы «стабильными», что означает, что мы еще не видели, как они распадаются, поскольку их периоды полураспада намного больше возраста Вселенной. Но другие атомы решительно нестабильны. Их период полураспада – от миллиардов лет до дней или минут, и по этой причине они гораздо более интересны – и часто полезны – для нас.
Эти радиоактивные элементы естественным образом содержатся в горных породах, в воздухе, почти везде. Гранит вашей кухонной столешницы может содержать уран, торий и продукты их радиоактивного распада. Некоторые элементы, такие как калий (химический символ K), имеют как стабильные, так и нестабильные изотопы и различаются по атомной массе, поскольку их ядра имеют разное число нейтронов, которое может быть больше или меньше числа протонов. Изотопы одного и того же элемента могут обладать различными радиоактивными свойствами. Например, большая часть калия представляет собой стабильный изотоп К-39, но 0,0012 % приходится на изотоп К-40, который содержит один дополнительный нейтрон, испускающий в основном бета-излучение (электроны) с периодом полураспада 1,3 миллиарда лет. Это означает, что даже бананы, технически, радиоактивны. Однако доза облучения мизерна, и вам пришлось бы съесть 5 миллионов бананов за один присест, чтобы почувствовать ее вредные последствия. Наши собственные тела тоже неизбежно содержат эти изотопы. Мы все радиоактивны.
Сегодня мы полагаемся на природные радиоактивные элементы во многих технологиях, от датчиков дыма (где америций, источник альфа-частиц, создает небольшой ток, который отключается при появлении дыма) до радиоактивных источников, опускаемых в глубокие скважины и используемых для определения состава окружающей породы. Этот метод, известный как каротаж скважин, стимулирует гамма-излучение элементов в породе и позволяет с минимальными затратами оценить, есть ли нефть, газ или иные ценные продукты глубоко под землей. Другие радиоактивные источники уже много лет используются для лечения рака и стерилизации почты, особенно после того, как в 2001 году были предприняты попытки отравить письма сибирской язвой, – теперь правительственная почта США стерилизуется с помощью радиации[47].
Использование естественной радиоактивности в других сферах жизни общества – неотъемлемая часть нашего мира, и легко забыть, что ее не существовало до открытий Резерфорда, Содди, Брукс, Гейгера и Марсдена. Чтобы убедиться в этом, достаточно заглянуть в Манчестерский музей, расположенный всего в нескольких шагах от старой лаборатории Резерфорда. В нем нет никакого старого физического оборудования, но представлено много окаменелостей (в том числе огромный скелет тираннозавра по имени Стэн). Репродукция огромной корневой системы дерева из верхнего каменноугольного периода с табличкой, указывающей, что дереву 290–323 миллиона лет. Плезиозавр, который был найден в Северном Йоркшире группой студентов университета, – его окаменелые кости возрастом 180 миллионов лет выставлены в огромном стеклянном ящике. Легко предположить, что у нас всегда были методы определения возраста окаменелостей, горных пород и древних артефактов, но, как мы помним по разговору Резерфорда с геологом профессором Адамсом, это не так. Основная причина, по которой мы объективно знаем возраст практически любого исторического объекта, заключается в наших знаниях о радиоактивности.
После открытия Резерфордом ядра атома физикам потребовалось время, чтобы понять ядерную физику и то, почему периоды полураспада разных атомов различаются. В то же время открытие многих нестабильных атомов с различными периодами полураспада в природе дало нам широкий спектр инструментов и методов, позволяющих датировать не только окаменелости, но и практически все, что угодно. Невозможно перечислить все, о чем мы знаем благодаря радиометрическому датированию, но давайте рассмотрим несколько примеров.
Мы знаем, что Туринская плащаница – средневековая подделка[48], и можем датировать свитки Мертвого моря. Мы знаем, что Homo sapiens мигрировали из Африки не единожды, а в течение нескольких периодов[49], и мы знаем, как они распространились по всему земному шару, потому что можем датировать человеческие останки – например, останки возрастом 14 300 лет, найденные в пещере в Орегоне[50]. В археологии мы можем не только локально установить временную шкалу для объектов, но и сравнить их в разных странах и даже на разных континентах, чтобы восстановить доисторическую эпоху нашего мира. Мы можем определить возраст льда в 1,5 миллиона лет[51], чтобы понять древний климат по ледяным кернам. Благодаря радиометрическому датированию мы знаем, когда динозавры бродили по Земле, и знаем дату падения астероида, который уничтожил их 65 миллионов лет назад[52]. Углубляясь в прошлое, мы можем идентифицировать первые свидетельства окаменелостей, которые могли быть животными, – разновидность древней морской губки, найденной в породах возрастом 665 миллионов лет в формации Трезона на юге Австралии[53].
47
Агентство по охране окружающей среды США. Облучение почты. Доступно по адресу https://www.epa.gov/radtown/mail-irradiation. Дата обращения: 29 марта 2021 года.
48
П. Э. Деймон и др. Радиоуглеродное датирование Туринской плащаницы (Radiocarbon dating the Shroud of Turin). Nature. V. 337, 1989, pp. 611–615. https://doi.org/10.1038/337611a0.
49
Кристофер Бай, К. Дука и М. Петралья. On the origin of modern humans: Asian perspectives. Science. V. 358, p. 6368, 2017. https://www. science.org/doi/10.1126/science.aai9067.
50
Сара Зелински. Showing their age: Dating the fossils and artifacts that mark the great human migration. Smithsonian Magazine, июль 2008 года. Доступно по адресу https://www.smithsonianmag.com/ history/showing-their-age-62874. Дата обращения: 29 марта 2021 года.
51
К. Буйзерт и др. Radiometric 81Kr dating identifies 120,000-yearold ice at Taylor Glacier, Antarctica. Proceedings of the National Academy of Sciences. V. 111, 2014, pp. 6876–6881. https://doi.org/10.1073/ pnas.1320329111.
52
Астероидная гипотеза была первоначально выдвинута физиком Луисом Альваресом (см. главу 8) и его сыном. С тех пор ведутся споры, было ли то извержение вулкана, а не астероид, но в 2020 году моделирование каждого сценария выдвинуло теорию с астероидом как наиболее вероятную. См. Кьяренца и др. Asteroid impact and not volcanism caused the end-Cretaceous dinosaur extinction event. Proceedings of the National Academy of Sciences. V. 117, 2020, p. 17. https://doi.org/10.1073/pnas.2006087117.
53
Адам С. Малуф и др. Possible animal-body fossils in pre-Marinoan limestones from South Australia. Nature Geoscience, № 3, 2010, pp. 653–659. https://doi.org/10.1038%2Fngeo934.