Радиометрическое датирование часто используют для «подтверждения» того, что породы образовались миллионы лет назад. Однако, узнав основы метода, вы увидите, как ошибочные предположения вызывают неправильные датировки.

Большинство людей считает, что радиоактивное датирование подтвердило миллиарды лет истории Земли. В конце концов, учебники, средства массовой информации и музеи активно заявляют об этом, как о факте.

Однако мало кто знает принципы радиометрического датирования или интересуется, какие предположения ведут к подобным выводам. Давайте же проверим, насколько надежным является этот метод датировки.

Атомы: что мы наблюдаем сегодня

Каждый химический элемент, такой как углерод и кислород, состоит из атомов. Считается, что каждый атом состоит из трех основных частей.

Рисунок 1. Углерод-12, углерод-13, углерод-14Ядро состоит из протонов (крошечных частиц с положительным электрическим зарядом) и нейтронов (частиц без электрического заряда). По орбите вокруг ядра двигаются электроны (крошечные частицы, каждая из которых имеет один отрицательный электрический заряд).

Атомы каждого элемента могут отличаться за счет разного количества нейтронов в ядре. Такие разновидности ядер называют изотопами определенного элемента. Количество нейтронов разное, однако, каждый атом любого элемента всегда имеет одинаковое количество протонов и электронов.

Так, например, любой атом углерода содержит шесть протонов и шесть электронов, но количество нейтронов в каждом ядре может быть разным: шесть, семь или даже восемь. Поэтому углерод имеет три изотопа (разновидности), которые называются углерод-12, углерод-13 и углерод-14 (рис. 1).

Радиоактивный распад

Некоторые изотопы радиоактивные. Это означает, что они неустойчивы, поскольку их ядра слишком большие. Для достижения стабильности атом должен вносить изменения, особенно в ядре. В некоторых случаях изотопы могут выбрасывать частицы, в первую очередь нейтроны и протоны. (Эти движущиеся частицы может регистрировать счетчик Гейгера и т. п.) 

Конечным результатом является устойчивый атом, но это уже другой химический элемент (не углерод), поскольку в атоме теперь другое количество протонов и электронов.

Этот процесс перехода одного элемента (родительского изотопа) в другой (дочерний изотоп) называется радиоактивным распадом. Распавшиеся родительские изотопы называются радиоизотопами.

Но не следует понимать слово «распад» буквально, в привычном для нас смысле. По качеству дочерние атомы ничем не хуже, чем родительские, из которых они образовались. Оба атома являются нормальными во всех смыслах этого слова.

Геологи часто используют пять родительских изотопов для определения возраста пород: уран-238, уран-235, калий-40, рубидий-87 и самарий-147. Эти родительские радиоизотопы распадаются на дочерние изотопы свинца-206, свинца-207, аргона-40, стронция-87 и неодима-143 соответственно. 

Таким образом, геологи используют такие пары для датировки образования пород: уран – свинец (два варианта распада), калий – аргон, рубидий – стронций или самарий – неодим. Обратите внимание, что углерод-14 (или радиоактивный углерод) не используется для датировки, поскольку большинство пород не содержат его в своем составе.

Современный химический анализ пород

Рисунок 2. U – родительские атомы. Pb– дочерние атомы.Геологи не могут использовать любую породу для датировки. Они должны найти породы, содержащие в себе перечисленные выше изотопы, даже если они присутствуют лишь в небольших количествах. Чаще всего, это тело породы образовавшейся во время охлаждения магмы. Примером могут быть граниты (образуются при охлаждении под землей) и базальты (образуются при охлаждении лавы на земной поверхности).

Следующим шагом является определение количества родительских и дочерних изотопов в образцах породы. Специально оборудованные лаборатории могут делать это с наибольшей точностью. Поэтому, в основном, мало кто спорит с полученными результатами химического анализа.

Но именно трактовка химических анализов является причиной проблем. Давайте по аналогии песочных часов посмотрим, как геологи «считывают» возраст породы из этих химических анализов (рис. 2).

В песочных часах крупинки мелкого песка падают с постоянной скоростью с верхней чаши часов. Через час весь песок пересыпается из верхней чаши в нижнюю. То есть, через полчаса одна половина песка должна быть в верхней чаше, а другая – в нижней.

Предположим, что человек не видел, когда перевернули песочные часы. Он зашел в комнату и заметил, что половина песка находится в верхней чаше, а другая половина в нижней. Большинство людей будет считать, что «часы» перевернули полчаса назад.

По этой же аналогии песчаные крупинки в верхней чаше представляют атомы родительского радиоизотопа (уран-238, калий-40 и т. д.). (Рис. 2). Песок, который падает, представляет собой радиоактивный распад, а песок в нижней чаше – это дочерние изотопы (свинец-206, аргон-40 и т. д.).

Когда геолог исследует образец породы, он предполагает, что все дочерние атомы образуются за счет распада родительских атомов с момента образования породы. Поскольку он знает, с какой скоростью распадается родительский атом, геолог может вычислить, сколько времени нужно для формирования дочернего (зарегистрированного в породе сегодня) атома.

Но что, если такие предположения ложные? Если радиоактивный материал был добавлен в верхнюю чашу позже или скорость распада изменилась? В следующих статьях ми рассмотрим предположения, которые могут стать причиной неправильного датирования, а также посмотрим, как история из Библии помогает нам лучше понять особенности радиоактивного "возраста" современных пород.