Основные этапы развития радиохимии и их характеристика

Основные этапы развития радиохимии и их характеристика

Радиохимия –область химии, которая изучает химию изотопов веществ, их хим. свойства, химию ядерных превращений и особенностей их превращений.

Первый этап (1898-1913) начат исследованиями М. Кюри и П. Кюри, вызвавшими большое число работ, посвященных открытию, изучению свойств, установлению местоположения в периодической системе генетических связей естественных радиоактивных элементов и изотопов. В этот период было открыто около 40 естественных радиоактивных элементов и изотопов и 5 новых радиоактивных элементов (полоний, радий, радон, актиний, протактиний). Большое значение имело установление правила сдвига Содди-Фаянса.Все обнаруженные и изученные в этот период радиоактивные вещества оказались изотопами таллия, свинца, висмута, полония, радия, актиния, тория, протактиния и урана. Были установлены закономерности изменения химической природы элементов в результате радиоактивного распада, опубликованы первые работы по влиянию температуры на эманирование твердых тел (А.С. Коловрат-Червинский, 1906). Термин «радиохимия» введен в науку в 1910 году А. Камероном в его книге «Радиохимия».

Началом второго этапа (1913-1934) можно считать исследования К. Фаянса и Ф. Панета, выполненные в 1913 г., и посвященные изучению общих закономерностей поведения ничтожно малых количеств естественных радиоактивных элементов и их изотопов в процессах соосаждения. В результате этих исследований были сформулированы правила соосаждения адсорбции Фаянса-Панета. и О. Хана, а также закон сокристаллизации В.Г. Хлопина (1924). Разработана термодинамическая теория изоморфной сокристаллизации и адсорбции радиоактивных нуклидов (А.П. Ратнер, 1933). Г. Хевеши и Ф. Панетом разработали метод радиоактивных индикаторов, с помощью которого были изучены процессы самодиффузии и изотопного обмена в соединениях свинца. На этом этапе развития радиохимии обнаружены явления коллоидообразования радиоактивных изотопов висмута и полония и были проведены первые работы по электрохимии радиоактивных элементов. О. Ханом и Ф. Штрассманом продолжалось подробное изучение процессов влияния термических воздействий на процессы эманирования.

Начало третьего этапа развития радиохимии (с 1933) совпадает с открытием нейтрона (Дж. Чедвиг, 1932) и искусственной радиоактивности (И. Кюри и Ф. Жолио-Кюри, 1934). В этот период устанавливается возможность искусственного получения радиоактивных изотопов почти всех известных стабильных элементов, открываются ядерные реакции, имеющие исключительно важное значение для получения радиоактивных изотопов и синтеза новых элементов, в том числе и трансурановых. В 1939 О. Ханом, Ф.Штрассманом и Л. Майтнер открываются и тщательно изучается процесс деления ядер урана, имевший решающее значение для создания ядерного оружия и ядерной энергетики. В 1934 Л. Сциллардом и Т.Чалмерсом обнаруживаются своеобразные химические эффекты при процессах захвата атомными ядрами медленных нейтронов. Проведена идентификация элементов, вплоть до 114-го элемента (Г. Сиборг, А.Гиорсо, Г.Н. Флеров). Изучены химические последствия при изомерных переходах, β - распаде и К-захвате.Широкое развитие исследований в этой области привело к созданию новых направлений в радиохимии, например химии «горячих» и многократноионизированных атомов, а также к созданию ядерной химии и химии процессов, индуцированных ядерными превращениями. Возникает ядерная индустрия, включающая в себя ядерное материаловедение, производство компонентов ядерного оружия и топлива для АЭС.

Современное состояние радиохимии характеризуется бурным развитием химии процессов деления и осколочных продуктов, а также химии и технологии ядерного горючего. Широкое развитие получают исследования ядерных превращений на частицах высокой энергии (реакции глубокого расщепления).Необычайно бурно развивается прикладная радиохимия, т.е. применение радиоактивных элементов во всех областях химических исследований. Некоторые из них: геохронология, определение возраста горных пород и

датировка геологических событий, радиоуглеродный метод, метод радиоактивного диффузионного газового зонда, диффузионно-структурный анализ, мессбауэровские диамагнитные зонды, активационный анализ, химия позитрония и мюония. Радиохимия находит применение в экологии и медицине (новые методы переработки отходов (мембраны – полимерные и керамические), планарные адсорбенты и аппараты регулярной структуры, новые методы отверждения отходов, процессы диффузии радионуклидов, миграция радионуклидов в природных средах, состояние радионуклидов в воде, воздухе и почве, фармпрепараты, и др.

В настоящее время радиохимия занимается такими проблемами, как получение урана из очень разбавленных растворов (например, выделение его из морской воды), выделение трансплутониевых элементов в условиях высоких радиационных нагрузок, выделение ценных компонентов из отработанного топлива, глубокая очистка контурных вод энергетических ядерных установок, локальный неразрушающий анализ элементов и т.д. Решение этих задач связано с дальнейшим исследованием состояния и поведения радиоактивных нуклидов при процессах соосаждения, хроматографии, при электрохимических процессах. Чрезвычайно важные задачи ядерная технология ставит перед радиохимическим анализом (контроль чистоты ядерных материалов, определение степени выгорания, изотопного состава и содержания делящихся материалов в ядерном топливе и др). Радиоактивные нуклиды и радиоактивные излучения находят применение в самых различных областях науки, техники. Сельского хозяйства и медицины.

Краткая история радиохимии

Первый этап (1898-1913) начат исследованиями М. Кюри и П. Кюри, вызвавшими большое число работ, посвященных открытию, изучению свойств, установлению местоположения в периодической системе и генетических связей естественных радиоактивных элементов и изотопов. В этот период было открыто около 40 естественных радиоактивных элементов и изотопов и 5 новых радиоактивных элементов (полоний, радий, радон, актиний, протактиний). Большое значение имело установление правила сдвига Содди-Фаянса. Все обнаруженные и изученные в этот период радиоактивные вещества оказались изотопами таллия, свинца, висмута, полония, радия, актиния, тория, протактиния и урана. Были установлены закономерности изменения

химической природы элементов в результате радиоактивного распада Термин «радиохимия» введен в науку в 1910 году А. Камероном в его книге «Радиохимия». Началом второго этапа (1913-1934) можно считать исследования К. Фаянса и Ф. Панета, выполненные в 1913 г., и посвященные изучению общих закономерностей поведения ничтожно малых количеств естественных радиоактивных элементов и их изотопов в процессах соосаждения. В результате этих исследований были сформулированы правила соосаждения адсорбции Фаянса-Панета. и О. Хана, а также закон сокристаллизации В.Г. Хлопина (1924). Разработана термодинамическая теория изоморфной сокристаллизации и адсорбции радиоактивных нуклидов (А.П. Ратнер, 1933). Г. Хевеши и Ф. Панетом разработали метод радиоактивных индикаторов, с помощью которого были изучены процессы самодиффузии и изотопного обмена в соединениях свинца. На этом этапе развития радиохимии обнаружены явления коллоидообразования радиоактивных изотопов висмута и полония и были проведены первые работы по электрохимии радиоактивных элементов. О. Ханом и Ф. Штрассманом продолжалось подробное изучение процессов влияния термических воздействий на процессы эманирования. Начало третьего этапа развития радиохимии (с 1933) совпадает с открытием нейтрона (Дж. Чедвиг, 1932) и искусственной радиоактивности (И. Кюри и Ф. Жолио-Кюри, 1934). В этот период устанавливается возможность искусственного получения радиоактивных изотопов почти всех известных стабильных элементов, открываются ядерные реакции, имеющие исключительно важное значение для получения радиоактивных изотопов и синтеза новых элементов, в том числе и трансурановых. В 1939 О. Ханом, Ф. Штрассманом и Л. Майтнер открываются и тщательно изучается процесс деления ядер урана, имевший решающее значение для создания ядерного оружия и ядерной энергетики. В 1934 Л. Сциллардом и Т. Чалмерсом обнаруживаются своеобразные химические эффекты при процессах захвата атомными ядрами медленных нейтронов. Проведена идентификация элементов, вплоть до 114-го элемента (Г. Сиборг, А. Гиорсо, Г.Н. Флеров). Изучены химические последствия при изомерных переходах, β - распаде и К-захвате. Широкое развитие исследований в этой области привело к созданию новых направлений в радиохимии, например химии «горячих» и многократноионизированных атомов, а также к созданию ядерной химии и химии процессов, индуцированных ядерными превращениями. Возникает ядерная индустрия, включающая в себя ядерное материаловедение, производство компонентов ядерного оружия и топлива для АЭС. Современное состояние радиохимии характеризуется бурным развитием химии процессов деления и осколочных продуктов, а также химии и технологии ядерного горючего. Широкое развитие получают исследования ядерных превращений на частицах высокой энергии (реакции глубокого расщепления). Необычайно бурно развивается прикладная радиохимия, т.е. применение радиоактивных элементов во всех областях химических исследований. Некоторые из них: геохронология, определение возраста горных пород и датировка геологических событий, радиоуглеродный метод, метод радиоактивного диффузионного газового зонда, диффузионно-структурный анализ, мессбауэровские диамагнитные зонды, активационный анализ, химия позитрония и мюония. Радиохимия находит применение в экологии и медицине (новые методы переработки отходов (мембраны – полимерные и керамические), планарные адсорбенты и аппараты регулярной структуры, новые методы отверждения отходов, процессы диффузии радионуклидов, миграция радионуклидов в природных средах, состояние радионуклидов в воде, воздухе и почве, фармпрепараты, и др. В настоящее время радиохимия занимается такими проблемами, как получение урана из очень разбавленных растворов (например,

1.Становление радиохимии как самостоятельной области химии началось в конце XIX века. Отправной точкой стали работы М. Склодовской-Кюри и П. Кюри, открывших и выделивших Ra и Po. При этом Склодовская-Кюри впервые применила радиохимические методы выделения микроколичеств радиоактивных элементов. В 1911 Ф. Содди определил радиохимию как науку, занимающуюся изучением свойств продуктов радиоактивных превращений, их разделением и идентификацией. Выделяют 4 периода становления радиохимии.Первый период (1898—1913) характеризуется открытием 5 природных радиоактивных элементов — Po, Ra, Rn, Ас, Pa — и ряда их изотопов, открытие Ф. Содди явления изотопии, а также альфа- и бета-распада.Второй период (1914—33) связан с открытием ряда закономерностей поведения радиоактивных изотопов в ультраразбавленных системах — растворах и газовой среде, открытием изотопного обмена.Третий период (1934—45) начинается после открытия супругами И. Жолио-Кюри и Ф. Жолио-Кюри искусственной радиоактивности. В этот период в результате работ по исследованию ядерных превращений разрабатываются основы методов получения, концентрирования и выделения искусственных радиоактивных изотопов. С этого момента бурно развивается прикладная радиохимия и радиохимическое производство.Современный, четвёртый период развития радиохимии связан с использованием мощных ускорителей ядерных частиц и ядерных реакторов. Осуществляется синтез и выделение искусственных химических элементов. Развивается технология ядерного горючего - основа современной атомной энергетики. Интенсивно развивается химия искусственных и естественных радиоактивных элементов. В начале 60-х годов 20-го века получает обоснование мезонная химия - химия новых атомов — позитрония, мюония и мезоатомов. Развивается химия процессов, происходящих след за ядерной реакцией (химия " горячих атомов" ). Возникает новая область химии изучающая продукты ядерных превращений под действием частиц высокой энергии - (ядерная химия).Радиохимия — одна из тех отраслей знаний, которые в большой степени определяют современный научный и технический прогресс. Данная наука сыграла решающую роль в создании ядерного оружия и становлении атомной энергетики. Ей же принадлежит ведущая роль в технологии получения новых элементов и новых изотопов, находящих все возрастающее применение в самых различных областях науки и техники, а также в изучении их свойств и поведения в различных средах. Развитие радиохимии продолжается, охватывая всё новые области химии радиоактивных веществ. Происходит дальнейшее развитие ядерной химии и мезонной химии, являющиеся следствием интеграции радиохимии с ядерной физикой и физикой элементарных частиц. В результате происходит формирование нового предмета изучения, не характерного для классической химии.развитие методов подготовки ядерного горючего для ядерных реакторов АЭС и переработки облученного ядерного горючего; разработка эффективных методов радионуклидной диагностики производственных и исследовательских систем, особенно с применением короткоживущих радионуклидов, быстрый полный распад которых обеспечивает безвредность последующего использования соответствующих веществ; получение широкого ассортимента медицинских препаратов, содержащих радионуклиды типа 99Тс для диагностики и лечения заболеваний; обеспечение безопасных методов обращения с высокорадиоактивными отходами; развитие методов радиохимического анализа и мониторинга радиоактивности окружающей среды.

CH3- CH2- T

CH3 T

CH2- T- CH2- CH3

2) Образование продуктов взаимодействия атомов отдачи трития с непредельными углеводородами.

T+ CH= CH

CH CH T

CH3 T

CH 3-CH2T

→

→ −

→

→ =

1. р-ция отрыва атомов водорода: RH+Tà +HT

Путь синтеза (80-90%)

2.р-ции замещения водорода: RH+Tà RT+H

3. р-ции разрыва С-С связей: R- +Tà T+

4.р-ция замещения других атомов и атомных групп: RX+Tà RT+X где X-NO2; COOH; OH; HaL и др.

5. р-ции присоединения по двойной связи: R=R+Tà RT-

Радиоуглеродный анализ

Радиоуглеро́ дный ана́ лиз — физический метод датирования биологических останков, предметов и материалов биологического происхождения путём измерения содержания в материале радиоактивного изотопа ¹⁴C по отношению к стабильным изотопам углерода. Предложен Уиллардом Либби в 1946 году (Нобелевская премия по химии, 1960).

Физические основания

Углерод, являющийся одной из основных составляющих биологических организмов, присутствует в земной атмосфере в виде стабильных изотопов ¹²C и ¹³C и радиоактивного ¹⁴C. Изотоп ¹⁴C постоянно образуется в атмосфере под действием радиации (главным образом, космических лучей, но и излучения от земных источников тоже). Соотношение радиоактивного и стабильных изотопов углерода в атмосфере и в биосфере в одно и то же время в одном и том же месте одинаково, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене и получают углерод из окружающей среды, а изотопы, в силу их химической неразличимости, участвуют в биохимических процессах практически одинаковым образом. В живом организме удельная активность ¹⁴C равна примерно 0, 3 распада в секунду на грамм углерода, что соответствует изотопному содержанию ¹⁴C около 10^{− 10} %.

С гибелью организма углеродный обмен прекращается. После этого стабильные изотопы сохраняются, а радиоактивный (¹⁴C) испытывает бета-распад с периодом полураспада 5568±30 лет (по новым уточнённым данным — 5730±40 лет), в результате его содержание в останках постепенно уменьшается. Зная исходное соотношение содержания изотопов в организме и измерив их текущее соотношение в биологическом материале, можно определить, сколько углерода-14 распалось и, таким образом, установить время, прошедшее с момента гибели организма.

Применение. Для определения возраста из фрагмента исследуемого образца выделяется углерод (путём сжигания фрагмента), для выделенного углерода производится измерение радиоактивности, на основании этого определяется соотношение изотопов, которое и показывает возраст образца. Образец углерода для измерения активности обычно вводится в газ, которым наполняется пропорциональный счётчик, либо в жидкий сцинтиллятор. В последнее время для очень малых содержаний ¹⁴C и/или очень малых масс образцов (несколько мг) используется ускорительная масс-спектрометрия, позволяющая прямо определять содержание ¹⁴C. Предельный возраст образца, который может быть определён радиоуглеродным методом — около 60 000 лет, т. е. около 10 периодов полураспада ¹⁴C. За это время содержание ¹⁴C уменьшается примерно в 1000 раз (около 1 распада в час на грамм углерода).

Измерение возраста предмета радиоуглеродным методом возможно только тогда, когда соотношение изотопов в образце не было нарушено за время его существования, то есть образец не был загрязнён углеродосодержащими материалами более позднего или более раннего происхождения, радиоактивными веществами и не подвергался действию сильных источников радиации. Определение возраста таких загрязнённых образцов может дать огромные ошибки. Так, например, описан случай, когда тестовое определение по траве, сорванной в день анализа, дало возраст порядка миллионов лет^{[источник не указан 233 дня]}, из-за того, что трава была сорвана на газоне вблизи автодороги с постоянным сильным движением и оказалась сильно загрязнена «ископаемым» углеродом из выхлопных газов (сгоревших нефтепродуктов). За прошедшие с момента разработки метода десятилетия накоплен большой опыт в выявлении загрязнений и в очистке от них образцов. Погрешность метода в настоящее время, как считается, находится в пределах от семидесяти до трёхсот лет.

Один из наиболее известных случаев применения радиоуглеродного метода — исследование фрагментов Туринской плащаницы (христианской святыни, якобы хранящей на себе следы тела распятого Христа), проведённое в 1988 году, одновременно в нескольких лабораториях слепым методом. Радиоуглеродный анализ позволил датировать плащаницу периодом XI—XIII веков.

Калибровка

Исходные предположения Либби, на которых строилась идея метода, заключались в том, что соотношение изотопов углерода в атмосфере во времени и пространстве не меняется, а содержание изотопов в живых организмах в точности соответствует текущему состоянию атмосферы. В настоящее время твёрдо установлено, что все эти предположения могут быть приняты лишь приблизительно. Содержание изотопа ¹⁴C зависит от радиационной обстановки, которая меняется во времени из-за колебания уровня космических лучей и активности Солнца, и в пространстве, вследствие неодинакового распространения радиоактивных веществ на поверхности Земли и событий, связанных с радиоактивными материалами (так, например, в настоящее время в образование изотопа ¹⁴C до сих пор вносят свой вклад радиоактивные материалы, которые образовались и были рассеяны при испытаниях ядерного оружия в атмосфере в середине XX века). В последние десятилетия вследствие сжигания ископаемого топлива, в котором ¹⁴C практически отсутствует, атмосферное содержание этого изотопа снижается. Таким образом, принятие некоторого соотношения изотопов за постоянное способно породить значительные ошибки (порядка тысячелетий). Кроме того, исследования показали, что некоторые процессы в живых организмах приводят к избыточному накоплению радиоактивного изотопа углерода, что нарушает естественное соотношение изотопов. Понимание процессов, связанных с углеродным обменом в природе и влияния этих процессов на соотношение изотопов в биологических объектах было достигнуто не сразу.

В результате радиоуглеродные датировки, производившиеся 30—40 лет назад, часто оказывались весьма неточными. В частности, проведённая тогда проверка метода по ныне живущим деревьям возрастом в несколько тысяч лет показала значительные отклонения для образцов древесины возрастом свыше 1000 лет.

В настоящее время для правильного применения метода произведена тщательная калибровка, учитывающая изменение соотношения изотопов для различных эпох и географических регионов, а также учёт специфики накопления радиоактивных изотопов в живых существах и растениях. Для калибровки метода используется определение соотношения изотопов для предметов, абсолютная датировка которых заведомо известна. Одним из источников калибровочных данных является дендрохронология. Также проведены сопоставления определения возраста образцов радиоуглеродным методом с результатами других изотопных методов датирования. Стандартная кривая, используемая для пересчёта измеренного радиоуглеродного возраста образца в абсолютный возраст, приведена здесь:

Можно констатировать, что в своём современном виде на историческом интервале (от десятков лет до 60—70 тысяч лет в прошлое) радиоуглеродный метод можно считать достаточно надёжным и качественно откалиброванным независимым методом датирования предметов биологического происхождения.

Критика метода

Несмотря на то, что радиоуглеродное датирование уже давно вошло в научную практику и достаточно широко используется, высказывается и критика этого метода, ставящая под сомнение как отдельные случаи его применения, так и теоретические основания метода в целом. Как правило, радиоуглеродный метод критикуется сторонниками креационизма, «Новой хронологии» и других теорий, не признанных научным сообществом. Некоторые примеры возражений против радиоуглеродного датирования приведены в разделе Критика естественно-научных методов в «Новой хронологии» Фоменко. Часто критика радиоуглеродного анализа основывается на состоянии методологии в 1960-х годах, когда метод ещё не был надёжно откалиброван.

10. Радиоуглеродный метод определения возраста. Радиоуглеродное датирование - метод датирования органических материалов путем измерения содержания

радиоактивного изотопа углерода 14С. Этот метод широко применяется в археологии и науках о Земле. Радиоуглеродный метод применяется для определения возраста молодых образований (до 70 тыс. лет). Метод основан на распаде естественного радиоактивного изотопа углерода

14С, который образуется в атмосфере под действием космической радиации, усваивается организмами и после гибели последних убывает по закону радиоактивного распада. Возраст может быть вычислен на основании отношения активности углерода живого вещества и углерода органических остатков. Метод применим ко всем образованиям, содержащим углерод (карбонатные горные породы, торф, ископаемые деревья, археологический деревянный материал). Установление того факта, что в процессе круговорота углерода в неживой природе и живых организмах активный 14С, образованный при действии космических лучей, равномерно распределяется между всеми углеродсодержащими веществами, позволило У.Либби в 1950 году предложить метод определения возврата материалов, содержащих углерод. К 1960 датирование по радиоуглероду получило всеобщее признание, радиоуглеродные лаборатории были созданы по всему миру, а Либби был удостоен Нобелевской премии по химии. В основу радиоуглеродного метода положен естественный распад 14С, постоянно образующийся в верхних слоях атмосферы в ходе ядерной реакции нейтронов – продуктов взаимодействия космических лучей с земной атмосферой- с азотом: Образование радиоактивных нуклидов углерода из атмосферного азота под воздействием космических лучей происходит со средней скоростью ок. 2, 4 ат./сна каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Изменения солнечной активности могут обусловить некоторые колебания этой величины. Образование атомов радиоуглерода под воздействием космических лучей обычно происходит в верхних слоях атмосферы на высотах от 8 до 18 км. Подобно обычному углероду, радиоуглерод окисляется в воздухе, и при этом образуется радиоактивный диоксид (углекислый газ). Под воздействием ветра атмосфера постоянно перемешивается, и в конечном итоге радиоактивный углекислый газ, образовавшийся под воздействием космических лучей, равномерно распределяется в атмосферном углекислом газе. Однако относительное содержание радиоуглерода 14C в атмосфере остается чрезвычайно малым – ок. 1, 2*10–12 г на один грамм обычного углерода 12С. 14С – чистый β - излучатель (превращается обратно в 14N), период полураспада 5, 6*10³ лет. Его количество уменьшается в 10 раз через 18400 лет. Таким образом, радиоуглерод может существовать в атмосфере только благодаря его постоянному обновлению при взаимодействии нейтронов с газами атмосферы.

тмосферы. Однако, как было установлено в дальнейшем, эти предположения справедливы лишь приблизительно. Содержание изотопа 14C в атмосфере зависит от многих факторов, таких как:

интенсивность космических лучей и активности Солнца, широта местности, состояние атмосферы (способность атмосферы поглощать космические лучи), вулканическая деятельность - углерод, содержащийся в вулканических выбросах, " древний", практически не содержащий 14Cкруговорот углекислого газа в природепроведение ядерных испытаний, техногенные катастрофы с радиационным загрязнениемсжигание большого количества ископаемых топлив - углерод содержащийся в нефти, природном газе и угле " древний" практически не содержащий 14CДва последних фактора делают невозможным проведение точных радиоуглеродных датировок у образцов 20-го века.

Таким образом, принятие некоторого соотношения изотопов за постоянное способно породить значительные ошибки (порядка тысячелетия) для самых ранних дат. Кроме того, исследования показали, что из-за разницы в атомных массах изотопов углерода химические реакции и процессы в живых организмах идут с немного разными скоростями, что нарушает естественное соотношение изотопов (так называемый эффект изотопного фракционирования)[1]. Понимание процессов, связанных с углеродным обменом в природе и влияния этих процессов на соотношение изотопов в биологических объектах было достигнуто не сразу.В настоящее время для правильного применения метода произведена тщательная калибровка, учитывающая изменение соотношения изотопов для различных эпох и географических регионов, а также учёт специфики накопления радиоактивных изотопов в живых существах и растениях. Для калибровки метода используется определение соотношения изотопов для предметов, абсолютная датировка которых заведомо известна. Одним из источников калибровочных данных является дендрохронология. Также проведены сопоставления определения возраста образцов радиоуглеродным методом с результатами других изотопных методов датирования. Последняя версия калибровочной кривой, используемой для пересчёта измеренного радиоуглеродного возраста образца в абсолютный возраст, опубликованная в 2009 году[2], охватывает последние 50 000 лет и получена на основании тысяч измерений точно датируемых древесных колец деревьев (последние 12 000 лет), годовых приростов кораллов и отложений фораминифер.Можно констатировать, что в своём современном виде на историческом интервале (от десятков лет до 60—70 тысяч лет в прошлое) радиоуглеродный метод можно считать достаточно надёжным и качественно откалиброванным независимым методом датирования предметов биологического происхождения.

Физические основы

Весь свинец в основном является смесью изотопов Pb²⁰⁴, Pb²⁰⁶, Pb²⁰⁷, Pb²⁰⁸ (в первые доказал Ф. Содди). В целом это не так, поскольку установлено, что на Землю постоянно поступает большое количество космического вещества, содержащего повышенные концентрации Pb²⁰⁴. Поэтому географически его концентрации изменяются в широких пределах (см. рис.1). Изотопы Pb²⁰⁶ (RaG), Pb²⁰⁷ (AcD), Pb²⁰⁸ (ThD) являются радиогенными и образуются в результате радиоактивного распада соответственно U²³⁸, U²³⁵ и Th. Схемы радиоактивного распада имеют вид (торий, при распаде которого образуется Pb²⁰⁸, не рассматривается, поскольку его роль в геохронологии не велика):

U²³⁸ → Pb²⁰⁶ + 8He⁴;

U²³⁵ → Pb²⁰⁷ + 7⁴He;

Уравнения распада имеют вид соответственно:

где U²³⁸_o, U²³⁵_o — современные концентрации изотопов урана; год^{− 1}, год^{− 1} — постоянные распада атомов соответственно урана U²³⁸ и U²³⁵. На практике обычно пользуются уравнениями

Зафиксировав значения возраста t, можно получить график, который называется конкордией (предложил Везерилл, 1956 г.). Ее уравнение имеет вид

где ψ = λ ₅/λ ₈; ψ ≈ 2π. Именно эта форма конкордии используется в практических целях. Конкордия - это монотонно возрастающая без точек перегиба кривая. Главное свойство конкордии - это геометрическое место точек, в которых возраст рассчитан не просто по изотопам Pb, как это иногда не верно утверждается, а только по радиогенным его компонентам.
Поскольку уран на много подвижнее свинца, то объединение уравнений (3) и (4) позволяет избавиться от него через выражение

где K_o^U = U²³⁸_o/U²³⁵_o - величина, зависящая только от возраста урана и на данный момент K_o^U = 137, 8

Отношение изотопов Pb и K_o^U - отношение изотопов U берутся на некоторый момент времени t отложения U.

Особый интерес представляет система с конкордией (рис. 4.). Формально, для построения конкордии нужны данные о радиогенных свинцах, и для их определения в уравнение (6) вносят поправки за содержание примесного свинца. При использовании собственно уравнения (6) точки (например, точка А на рис.4) отскакивают от изохроны и им приписывается три значения возраста (см. рис.4). Это расщепление и носит название " дискордантности". Чаще всего между ними устанавливаются отношения t₁ < t₂ < t₃, и связь между ними имеет вид

;

здесь Y = t₃/t₁, X = t₂/t₁.
При анализе причин этого явления предложены различные модели (вообще правильно (!!! ) - гипотезы):

Закрытые системы.

Незамкнутостые относительно Pb, U, Th минеральные системы.

В незамкнутых (или открытых) системах выделяют а)эпизодические нарушения замкнутости систем; б) непрерывные потери изотопов; в)диффузионные потери; г)потери за счёт химического взаимодействия; д) непрерывные потери свинца; е)потери за счёт расширения (метамиктного) решётки минерала. Таким образом придуманных гипотез, то бишь моделей, уйма, но они обладают одним недостатком: не созданы объективные критерии определения влияния именно предполагаемой модели в противовес другим гипотезам, поэтому любой исследователь действует, как ему вздумается.
Для решение задач, связанных с открытыми системами, предложена комбинация конкордии и изохроны, которая названа псевдоизохроной, поскольку в системе с конкордией изохрона не существует по определению. В этом случае наблюдается пересечение конкордии псевдоизохроной максимум в двух точках. Интерпретация точек пересечения неоднозначна, т.е. субъективна. Особенно одиозна нижняя точка пересечения. Только C.J. Allegre справедливо указал, что нижняя точка не имеет реального смысла. Однако, этот вывод был отброшен и возобладал взгляд G.W.Wetherill, который приписывал ей некий физический смысл. Тогда по второй точке зрения нижняя точка «отвечает значению возраста их образования (породы)», а вторая-«верхний предел времени дифференциации U и Pb в земной коре». По третьей - верхняя точка отвечает времени становления породы, нижняя - времени наложенной минерализации. Ясно, что это – разночтения одного и того же явления.

Главная и единственная причина возникновения всей дискордантности - это неверные оценки величины поправки за примесный свинец. Это обусловлено тем, что нет объективных критериев оценки состава этого свинца, а операция производится по геологическим соображениям, т.е. произвольно и субъективно.

Уран-Свинцовый метод.

Свинцовый метод основан на распаде элементов радиоактивных рядов урана, актиноурана и тория, в результате которого в радиоактивных минералах накапливаются стабильные изотопы свинца. Зная скорость распада материнских нуклидов, и определив их содержание и изотопный

состав свинца можно установить возраст минералов по отношениям: 206Pb/238U; 207Pb/235U; 207Pb/206Pb; 208Pb/232Th. Совпадение значений возраста, вычисленных по различным изотопным соотношениям, свидетельствует об их надежности. Природный свинец состоит из смеси четырех стабильных изотопов: 204Pb, 206Pb (RaG) 207Pb (AcD) и 208Pb (ThD), средняя относительная распространенность которых в природной смеси изотопов соответственно равна: 1, 48%, 23, 6%, 22, 6% и 52, 3%. Свинец-204 имеет нерадиогенное происхождение. Последние три изотопа являются конечными продуктами распада урана-238, урана-235 и тория-232 соответственно. Изотопный состав свинца весьма разнится для образцов различных месторождений и может служить критерием геологического возраста породы. В природе образуются и радиоактивные изотопы свинца – продукты распада трех семейств генетически связанных радионуклидов: 214Pb (RaB, T=26, 8 мин), 210Pb (RaD, T=23, 3 года), 211Pb (АсB, Т=36, 1 мин) и 212Pb (ThB, T=10, 64 часа). Еще один нуклид - 209Pb (Т=3, 3 часа) – образуется в природных средах в ходе некоторых ядерных реакций. Для полноты картины отметим, что некоторые техногенные радионуклиды (209Pb и 210Pb) получаются в ядерных реакторах, и попадают в окружающую среду при несанкционированных выбросах.Кривые изменения изотопного состава свинца в земной коре со временем приведены на Рис.2, а изменение во времени изотопов свинца-206 и 207 – на Рис.3. Если в минерале, содержащем уран или торий, присутствуют только изотопы свинца, образованные при распаде рядов, то по количеству этих изотопов можно точно определить количество урана и тория, претерпевающие распад. Свинцовый метод можно считать более надежным, чем гелиевый, так как потери свинца, например путем медленной диффузии, маловероятны. Однако соотношение количеств урана и свинца или тория и свинца может измениться при выщелачивании или в результате какой-либо другого процесса. Продукты радиоактивного распада рядов 238U и 232Th (соответственно 206Pb и 208Pb) отличают от других изотопов свинца с помощью масс-спектроскопического анализа. Если в пробе обнаруживается 204Pb, то следует вводить соответствующие поправки. Расчеты возраста по отношению содержаний 238U/206Pb, более надежны, чем по 232Th/208Pb. При этом получены значения возраста минералов, доходящие до 3*109 лет. Отметим, что для мин

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒