На жаль, методи радіоізотопного датування пояснюються не достатньо зрозуміло як в шкільному курсі біології, так і в шкільному курсі фізики. З одного боку, у шкільних підручниках з біології не наводиться, навіть, формула закону радіоактивного розпаду, без якої неможливе повне розуміння теми. З іншого боку, коли у підручниках з фізики йдеться, приміром, про визначення віку скам’янілостей динозаврів, то упускаються важливі для розуміння нюанси з палеонтології та хімії. Тож, давайте, детально розберемось у питанні.
.
Багато-хто помилково вважає нібито вчені знаходять кістки динозаврів, а потім несуть їх в лабораторію на аналіз радіоізотопними методами. Насправді, найчастіше науковці знаходять скам’янілості динозаврів, в яких вже нічого не залишилось від органічних речовин. За мільйони років органічні речовини з тіл вимерлих тварин заміщуються мінеральними речовинами (цей процес носить назву фосилізації). Тобто часто кісток динозаврів як таких нема, а є їхні «мінеральні копії» або відбитки в осадових породах. Хоча зрідка можна знайти і справжні кістки вимерлих тварин, зокрема, зуби. Але, навіть, і справжні кістки радіоізотопними методами не досліджують. Радіоізотопними методами досліджують лише кістки тих тварин, які жили зовсім недавно (не більше, ніж кілька десятків тисяч років тому). Тому кістки мамонтів і наших предків кроманьйонців можна віднести в лабораторію на аналіз радіоізотопними методами, а зі скам’янілостями динозаврів так не вийде.
То як визначають вік скам’янілостей динозаврів? Радіоактивними методами визначають не вік самих скам’янілостей, а вік магматичних порід. Уявимо собі таку ситуацію, що багато десятків мільйонів років тому десь на планеті Земля відбулось виверження вулкану і в цьому місці ми маємо затверділу лаву. Радіоізотопними методами ми можемо встановити скільки саме мільйонів років назад відбулось виверження вулкану (як саме ми це можемо зробити, поговоримо нижче). Після цього на цій території жили і помирали динозаври. Деяким з цих динозаврів «пощастило» перетворитись на скам’янілості. Пізніше у цьому ж місці відбулось ще одне виверження вулкану, дату якого ми теж можемо визначити, проаналізувавши застиглу лаву. Таким чином, визначивши, наприклад, що перше виверження вулкану відбулось 100 мільйонів років тому, а друге – 80 мільйонів років назад, ми точно знатимемо, що вік наших скам’янілостей належить цьому проміжку часу, адже шар осадових порід, в яких знайшли скам’янілості цих тварин, знаходиться між двома шарами застиглої лави, вік якої ми визначили.
Яким же чином ми визначаємо дату виверження вулкану? Є десятки різних радіоізотопних методів. Поясню лише один з них: калій-аргоновий метод. У розплавленій лаві завжди є радіоактивний ізотоп калій-40. У розплавленій лаві також може бути аргон-40. Але аргон – це інертний газ. Він не вступає у хімічну взаємодію з наявними у лаві речовинами та з легкістю дифундує, покидаючи лаву. Тому після того, як лава затвердне, у ній буде радіоактивний калій-40, але зовсім не буде аргону. А далі найцікавіше. Калій-40 з часом зазнає радіоактивного розпаду (відбуваються добре всім відомі ядерні реакції), при цьому перетворюючись на аргон-40.
Період напіврозпаду калію-40 становить Т=1,26 мільярдів років. Це означає, що якщо, наприклад, ви візьмете 4 грами калію-40, то через 1,26 мільярдів років у вас залишиться лише 2 грами калію-40 (решта 2 грами калію-40 перетвориться на аргон-40). Ще через 1,26 мільярдів років у вас залишиться лише 1 грам калію-40, ще через 1,26 мільярдів років – 0,5 грам калію-40, ще через 1,26 мільярдів років – 0,25 грам калію-40 і так далі. При цьому, кількість аргону-40 у зразку весь час зростатиме, а кількість калію-40 зменшуватиметься.
А тепер пригадайте, що коли лава затвердла, то в ній зовсім не було аргону-40, але був калій-40. З часом калію-40 в твердій лаві ставатиме менше, а аргону-40 ставатиме більше. Тут важливо ще й те, що із затверділої лави аргон-40 не може «вибратись» – він ніби потрапляє в «пастку» кристалічноъ гратки, тому що його розміри перевищують проміжки між іншими атомами. Тому у твердих магматичних породах залишається аргон-40, утворений в результаті розпаду калію-40 (з розплавленої ж лави аргон-40 запросто «вибирається»).
Нехай виверження вулкану відбулось t років назад (нам потрібно визначити час t). Нехай спочатку у лаві було N₀ атомів калію-40. Через t років у цій лаві залишиться N атомів калію-40 (N<N₀). При цьому у лаві з’явиться N₀–N атомів аргону-40, адже кількість атомів калію-40, що розпалися, дорівнює кількості атомів аргону-40, що утворились. Взявши зразок лави, ми зможемо експериментально визначити кількість атомів аргону та калію-40 у ній. Таким чином ми зможемо знайти відношення k= (N₀–N)/N. Тоді, згідно з законом радіоактивного розпаду, ми зможемо визначити час t, який пройшов з моменту виверження вулкану, за формулою t=T∙log₂ (k+1), де Т=1 260 000 000 років – період напіврозпаду калію-40. Простіше кажучи, знаючи скільки атомів калію-40 та аргону є у лаві, ми можемо визначити дату виверження вулкану.
Але чому ми не можемо цим методом досліджувати самі скам’янілості? Навіщо нам та лава? Скам’янілості, зазвичай, знаходять у вапняку чи пісковику. Ці осадові породи утворюються з піску, багна чи мулу. Але, наприклад, сам пісок міг утворитися набагато раніше в результаті подрібнення вулканічної лави. І тому коли в піску утворюються скам’янілості, то в ньому вже є певна кількість аргону-40. Тому радіоізотопний аналіз самих скам’янілостей покаже не вік самих скам’янілостей, а покаже, коли затвердла лава, з якої утворився пісок. Тому, щоб визначити вік динозаврів, ми використовуємо датування шарів лави, між якими знаходяться скам’янілості, а не датування осадових порід, в яких знаходяться скам’янілості.
Крім описаного вище калій-аргонового методу є десятки інших методів радіоізотопного датування. Для визначення віку скам’янілостей, зазвичай, використовують всі доступні методи і всі вони показують однаковий час. Завдяки цим методам ми знаємо, що перші динозаври жили на Землі приблизно 233 – 243 мільйонів років тому, а вимерли всі нептахові динозаври близько 66 мільйонів років назад.
