6. Изменение изотопного состава элементов в телах Солнечной системы
В телах Солнечной системы протекают непрерывные ядерные превращения, которые приводят к изменению изотопного состава многих химических элементов. Изучение этих процессов позволяет понять историю развития вещества Солнечной системы.
Распад радиоактивных ядер приводит, естественно, к сдвигам изотопного состава многих элементов: к накоплению содержания изотопов одних элементов и уменьшению других. Основное значение в истории Земли и метеоритов имеют радиоактивные изотопы: К 40 (Т= 1,25 · 10 9 лет) , Тh 232 (T = 1,42 · 10 10 лет) , U 235 (T = 7,13 · 10 8 лет) и U 238 (T = 4,5 · 10 9 лет). Радиоактивный распад указанных изотопов за время, прошедшее с момента образования земной коры, равное 3,5-10 9 лет, привел к значительному уменьшению их распространенности. Например, количество U 23 уменьшилось в 30 раз, К 40 — в 8 раз по сравнению с их первоначальным содержанием. Содержание изотопов Th 232 и U 238 благодаря их большему периоду полураспада, уменьшилось на 10 и 50 % соответственно.
За счет распада изотопов тория и урана в земной коре происходит накопление их стабильных продуктов распада и прежде всего гелия Не 4 . Найдено, что 1 т гранита, содержащего 2 · 10 —б г урана и 1 · 10 —5 г тория на грамм гранита, за 1 млн. лет производит 0,51 мл гелия при обычной температуре и давлении. Установлено, что весь присутствующий в земной коре Не 4 имеет радиогенное происхождение.
Из данных В. Г. Хлопина следует, что за 1 млрд, лет в результате распада урана и тория содержание гелия в земной коре увеличивается на 1 · 10 —5 вес. %, ь то время как распространенность гелия составляет только 1 · 10 —6 вес. %·
Промежуточные члены распада урана и тория — изотопы радиоактивных элементов: протактиния, актиния, тория, радия, франция, радона, полония и астата. Распространенность всех этих элементов крайне мала. Например, содержание радия равно 3,4 — 10 —7 г на 1 г урана, что составляет 1 · 10 —10 вес. %. Верхние же горизонты земной коры толщиной 7,5 км содержат около 11 300 т Ас 227 , 115 т Rn 222 , 4000 т Ро 210 , 245 г Fr 223 и 0,69 г At 218 .
Самые значительные сдвиги в изотопном составе наблюдаются для свинца, изотопы которого являются конечными звеньями рядов распада урана и тория, присутствующих в земной коре. Повышенное содержание свинца, обнаруженное недавно Аллером в Солнечной системе (см. рис. 45), обусловлено его образованием при распаде указанных выше элементов. Велики изменения и изотопного состава аргона. В породах и атмосфере преобладает изотоп Аr 40 , он образуется при K-захвате К 40 , который, как видно из данных, приведенных в периодической системе элементов, является самым распространенным радиоактивным изотопом в земной коре. Можно сказать, что весь Аr 40 , присутствующий в настоящее время в земной коре, имеет радиогенное происхождение. Долгое время было непонятно, почему атомный вес аргона больше, чем калия, что не соответствовало их положению в периодической системе элементов. Сейчас эта аномалия объясняется большой долей радиогенного Аr 40 в изотопном составе аргона. Изменения в изотопном составе за счет распада других природных радиоактивных изотопов невелики, так как последние имеют очень большие периоды полураспада.
К изменению изотопного состава элементов может приводить также спонтанное деление некоторых изотопов тяжелых элементов. Периоды полураспада спонтанного деления велики. Так, для U 238 он равен 8,04 · 10 15 лет, для U 235 — 1,87–10 17 лет, для Th 232 по последним данным Т ≥ 10 21 лет. Следовательно, наибольшую роль могут играть только продукты спонтанного деления U238, хотя и она тоже не очень велика, потому что за время существования земной коры разделилось только лишь около 3 · 10 -5 % ядер этого изотопа, присутствующих в начальный момент образования земной коры. Из рис. 9 следует, что увеличение распространенности за счет спонтанного деления можно ожидать только для изотопов с A от 85 до 105 и от 130 до 150.
В 1947 г. акад. В. Г. Хлопин с сотрудниками путем измерения соотношения изотопов ксенона (124≤ Α ≥136) и аргона (36≤ Α ≥40), выделенных из уранинита пегматитовых жил Северной Карелии, показал, что ксенон в этом минерале образуется при спонтанном делении урана. Дальнейшие детальные исследования показали, что в урановых минералах происходит как спонтанное деление U 238 , так и деление ядер U 235 медленными нейтронами, которые, как мы увидим дальше, всегда присутствуют в урановых минералах. Доля этих двух видов деления зависит от возраста минерала, концентрации урана и природы примесей, присутствующих в минерале. Наблюдаемые в земной коре аномалии в распространенности некоторых изотопов теллура, ксенона и самария объясняются И. П. Селиновым спонтанным делением изотопов трансурановых элементов (например, Cf 254 ), последние могли входить в состав вещества, из которого образовалась наша планета, но вследствие сравнительно малых периодов полураспада полностью распались.
Следствием спонтанного деления атомных ядер является возникновение в земной коре постоянного источника нейтронов. Зная, что среднее содержание урана в земной коре толщиной 15 км составляет 4 · 10 4 % , нашли, что в этом слое выделяется около 3 нейтр/сек см 2 . Другим источником нейтронов в земной коре служат ядерные реакции под действием альфа-частиц, возникающих при радиоактивном распаде естественных радиоэлементов. Вычислено, что за счет (α, п) — реакций с ядрами легких элементов — лития, бериллия и других — возникает около 10—3 нейтр/г· сек.
Одним из важных следствий наличия в земной коре нейтронов является присутствие в урановых минералах долгоживущих изотопов Νρ 237 и Pu 239 , которые образуются по реакциям:
Количества их, безусловно, очень малы. Так, например, из концентрата урановой смолки из Республики Конго удалось выделить только 10—5 мкг чистого Νρ 237 .
В минералах земной коры протекают различные ядерные реакции, в основном с нейтронами и альфа-частицами. Однако они еще очень мало изучены. В качестве примера наиболее изученных реакций можно привести следующие: О 18 + Не 4 = Ne 21 + 0 n 1 и F 19 + Не 4 = 0 n 1 + Na 22 β+ → Ne 22 , которые протекают в урановых минералах. Благодаря этим реакциям происходит изменение изотопного состава неона. Так, отношение Ne21/Ne20 в неоне, выделенном в одном из таких минералов, равно 1,05, а для неона атмосферы — 0,0028.
Особый интерес представляет изменение изотопного состава гелия, который, как уже указывалось, был почти полностью потерян Землей вместе с другими инертными газами при ее образовании. Долгое время считали, что гелий в природе состоит исключительно из Не 4 , пока в 1936 г. не был обнаружен изотоп Не 3 . Содержание Не3 в атмосфере незначительно, так что отношение Не3/Не4 равно 1,2 · 10 _6 . Количество Не3 в газовых скважинах в десять раз меньше, а в гелии, выделенном из радиоактивных минералов, практически равно нулю. Однако в некоторых минералах, например сподумене (алюмосиликате лития), количество Не3 в десять раз больше, чем в атмосфере. Накопление его, по-видимому, происходит в результате реакции
Значительное изменение химического состава Земли и других тел Солнечной системы, а также туманностей происходит за счет ядерных реакций с космическими лучами. В связи с тем, что эти реакции протекают в течение очень длительного времени, их эффект становится заметным. Легче всего его можно заметить в метеоритах — самых маленьких телах Солнечной системы.
Багодаря интенсивному облучению космическими протонами высокой энергии в метеоритах накапливаются значительные количества Не 3 . Рассчитано, что при облучении железных метеоритов космическими лучами образуется 5 · 10 —14 сm 3 Не 3 на 1 г метеорита в год. Поэтому гелий в метеоритах характеризуется очень высоким содержанием изотопа Не 3 ; средняя величина отношения Не3/Не4 для железных метеоритов равна 0,32. В метеоритах образуются также значительные количества трития. Изменение его содержания в трех железных метеоритах в момент их падения на Землю дало величины от 1,2 · 10 4 до 3 · 10 6 атο м/г.
Недавно в железных и каменных метеоритах были обнаружены долгоживущие радиоактивные изотопы — А1 26 , Be 10 , Со 60 и многие другие. Наличие этих изотопов также связано с ядерными реакциями, протекающими под действием космических лучей. Для изучения продуктов таких реакций наибольший интерес представляют недавно упавшие метеориты. К ним относится, например, Ярдышлинский метеорит, который упал на территории Азербайджанской ССР 24 ноября 1959 г. Собрано уже несколько осколков этого метеорита общим весом около 150 кг. В настоящее время проводится его исследование с целью обнаружения’ сравнительно короткоживущих продуктов расщепления железа космическими протонами.
Обнаружены аномалии в изотопном составе ряда элементов в метеоритах по сравнению с земными объектами. Максимальные изотопные сдвиги наблюдаются для аргона, неона и калия. Например, относительное содержание изотопа К 40 в калии, выделенном из ряда железных метеоритов, в 200 раз превышает его содержание в земном калии. Изучение аномальных распространенностей стабильных изотопов, а также содержания радиоактивных изотопов в железных и каменных метеоритах может привести к ряду очень интересных выводов. Прежде всего оказывается возможным по распределению космогенных изотопов (т. е. изотопов, образованных во время существования метеоритов в результате ядерных реакций с космическими лучами) оценить первоначальную массу и размеры метеорита, которые он имел до попадания в атмосферу Земли. Сущность этого метода заключается в том, что космические лучи проникают внутрь вещества метеорита с различной интенсивностью в зависимости от расположения исследуемой пробы внутри массы метеорита. Чем дальше от поверхности, тем меньше интенсивность, а главное — энергия космических лучей. Это особенно важно для тех космогенных изотопов, сечение которых изменяется с энергией. Э. Файермен измерил содержание Не 3 в различных кусках одного из железных метеоритов Грант и нашел, что первоначальная масса этого метеорита была равна 880 кг, причем 400 кг распылились в атмосфере.
По содержанию космогенных изотопов можно оценить так называемый космический возраст метеоритов — время, которое прошло с момента их образования при развале астероида или какого-нибудь другого тела сравнительно больших размеров (в котором внутренние части экранированы от космического излучения) до момента падения на Землю, где интенсивность космического излучения очень мала. Все полученные в настоящее время данные показывают, что имеются существенные различия между космическим возрастом каменных и железных метеоритов. Для каменных метеоритов он колеблется от 5 до 500 млн. лет, для железных от 200 до 2000 млн. лет. Такое расхождение может свидетельствовать о распаде каменных метеоритов после их образования из астероидов или об утечке инертных газов из каменных метеоритов, космический возраст которых определяется в основном по изотопному составу. Для решения этого очень важного для космогонии всей Солнечной системы вопроса необходимо знать точные данные о сечениях образования отдельных космогенных изотопов при взаимодействии космических лучей различной энергии со всеми атомными ядрами, входящими в состав метеоритов. Они могут быть получены на современных ускорителях.
Например, один из авторов настоящей книги совместно с сотрудниками изучил выходы различных изотопов, образующихся при облучении железной мишени протонами различной энергии. Путем такого моделирования ядерных реакций, протекающих в железных метеоритах, удалось определить скорости накопления всех космогенных изотопов. Оказалось, что за 1 млрд, лет в железных метеоритах за счет расщепления ядер железа накапливается до 5 · 10¯ 8 г космогенных изотопов на 1 г метеорита. Полученные в этой работе данные о скоростях образования различных космогенных изотопов могут быть использованы для точного определения космического возраста железных метеоритов, а также для определения времени падения метеоритов на Землю, интенсивности космических лучей и изменения ее на протяжении последних миллиардов лет.
Таким образом, детальное изучение метеоритов и ядерных реакций, которые в них протекают, приобретает все более важное значение для решения многих основных проблем мироздания. Подобные исследования не могут быть заменены никакими другими, хотя и будут существенно дополнены изучением вещества некоторых планет солнечной системы.
Космические лучи при попадании в атмосферу Земли испытывают соударения с атомными ядрами элементов атмосферы, в результате чего возникают вторичные нейтроны разнообразных энергий и мезоны. Во всей толще атмосферы образуется в среднем 2,6 нейтр/см 2 сек. В зависимости от энергии нейтронов в атмосфере протекают следующие ядерные реакции:
Ν 14 (n, р)С 14 (тепловые нейтроны);
Ν 14 (n, Не 4 )В 11 (E n >1 Мэв);
N 14 (n, Н 3 )С 12 (E n ≥ 4 Мэв).
Первая реакция является источником С 14 в атмосфере и земной коре. Общее количество этого изотопа в земной коре достигает 80 т, что соответствует образованию 10 кг С 14 в год.
Тритий образуется в земной коре главным образом под действием нейтронов космических лучей в количестве 0,12 атом/см 2 сек. Это соответствует общему содержанию 1,8 кг трития в земной коре. Из этого количества лишь 1 % содержится в атмосфере и 1 % — в речных водах. Определение содержания трития в атмосферных осадках, в водах озер л морей дает ответ на ряд геохимических вопросов, позволяет установить, время, прошедшее с момента испарения воды из океана и выпадения ее в виде дождя, отличить подземные воды от поверхностных.
Недавно в дождевой воде был впервые обнаружен изотоп Be 7 . Он образуется в атмосфере под действием быстрых протонов по реакции N 14 (p, 2α)Ве 7 . Скорость его образования равна 2300 атом/см 2 в день. Обнаружены также и долгоживущие изотопы Be 10 , Р 32 и S 35 , Последний изотоп возникает, по-видимому, в результате расщепления атмосферного аргона под действием космических протонов. Содержание S 35 оценивается равным 100—1175 атомов в 1 мл воды.
В последнее время начались исследования по обнаружению различных продуктов ядерных реакций, протекающих под действием космических лучей на атомы элементов, входящих в состав минералов и горных пород земной коры. Эти исследования сопряжены с большими трудностями, но они будут преодолены, и тогда можно будет, по-видимому, найти ответы на многие очень интересные вопросы относительно наблюдаемых аномалий в распространенности отдельных элементов-и их изотопов.
Еще много лет назад акад. В. И. Вернадский указал на то, что наблюдаемое рассеяние всех элементов в веществе земной коры нельзя объяснить полностью различными химическими, биохимическими и геологическими процессами. Он высказал предположение, что это явление может быть обусловлено ядерными реакциями элементов земной коры с космическими лучами. Изучение этого вопроса представляет, несомненно, большой интерес.
Таким образом, в веществе, которое выбрасывается при гигантских вспышках Новых и Сверхновых (и из которого затем образуются туманности и тела планетных систем), а также в веществе большинства звезд в результате различных ядерных реакций на их поверхности происходит постепенный процесс разрушения ядер химических элементов и превращение их в ядра водорода и других легких элементов. Этот процесс необратим. Синтез элементов в веществе, из которого состоят туманности, планеты, астероиды, кометы и метеориты, не происходит. Следовательно, во Вселенной наблюдается круговорот атомов химических элементов. В недрах звезд происходят ядерные реакции синтеза атомов тяжелых элементов в основном из водорода. Тепло, выделяемое в этих реакциях, обусловливает физическое состояние звезд, представляющих собой большие массы газа, нагретого до высокой температуры. В холодных телах значительно меньших размеров протекает обратный процесс — разрушение ядер химических элементов. Таким образом, количественное изменение в массах космических тел приводит к количественному изменению характера ядерных процессов, в них протекающих.