10. Изотопный возраст и масс-спектрометрия

До второй мировой войны горные породы умели анализировать только классическими методами химического анализа. Для определения абсолютного возраста годились лишь пробы пород со сравнительно высоким содержанием урана, тория и свинца; методы, основанные на других рядах распада, еще не были разработаны. Опыты проводились на урановых рудах, содержащих минерал урановую смолку. Об определении возраста других пород, скажем гранита, никто и не мечтал. И при всем том полученные результаты были неверными, так как с помощью метода химического анализа невозможно различить разные изотопы одного элемента. В пробах определялось содержание урана, тория и свинца. Зная скорости распада урана и тория до свинца, рассчитывали, какая доля обнаруженного свинца образовалась из урана, а какая из тория. Считая, что весь имеющийся в породе свинец возник в результате этих двух распадов, определяли возраст пробы по периоду полураспада материнских элементов.

Получившиеся цифры были довольно далеки от истины, потому что в свинце содержатся не только изотопы ²⁰⁶Рb, ²⁰⁷рь и ²⁰⁸рь - стабильные продукты распада ²³⁸U (урана), ²³⁵U (актиноурана) и ²³²Th (тория), - но и нерадиогенный изотоп ²⁰⁴Рb. Тогда уже знали, конечно, о недостоверности допущения, на котором был основан метод. Но лучше получать недостоверные цифры, чем не получать никаких. И хотя позже была доказана несостоятельность многих ранних определений, они сделали свое дело. Они впервые недвусмысленно указали нам на ошеломляющую длительность геологической истории. Для того времени уже это было большим достижением. Раньше утверждения геологов и астрономов об огромном возрасте Земли и всей Вселенной некоторые физики встречали с недоверием. Теперь же геологи получили первые результаты прямого определения возраста конкретных горных пород, послужившие неоспоримым и наглядным доказательством их правоты.

Разделение изотопов одного элемента стало возможным только с помощью масс-спектрографа и масс-спектрометра - приборов, разработанных только после войны. Новые методы позволяют анализировать изотопный состав даже очень небольших количеств вещества, до 1 микрограмма (миллионной доли грамма). Все изотопы одного и того же элемента обладают общими химическими свойствами. Это означает, что все они имеют один атомный номер и одинаковое число электронов на внешней орбите (эти электроны и определяют химические свойства элемента). Единственное, чем изотопы различаются, - это строение ядер и атомная масса. Поэтому они обладают разными физическими свойствами, и для их разделения применимы лишь физические методы анализа. Когда изучение изотопов только начиналось, их разделяли методом разгонки, используя различия в температуре кипения и давлении насыщенных паров в точке кипения. Но эти различия слишком малы, чтобы разделение было достаточно полным, и для точного анализа горных пород такой метод совершенно непригоден.

Для определения абсолютного возраста теперь используется почти исключительно масс-спектрометр. Принцип его работы состоит в отклонении электрически заряженных частиц в магнитном поле. На заряженные частицы (в нашем случае это ионизованные атомы изотопов) действует сила, перпендикулярная магнитному полю и направлению полета частиц. Величина этой силы пропорциональна массе частиц. В результате частицы разной массы отклоняются по-разному, и отдельные атомы разных изотопов одного элемента (или атомы разных элементов) в масс-спектрометре разделяются в зависимости от своей атомной массы. Атомы с разными массами в конце своего пути пролетают через коллиматорные щели и электронное устройство считает число атомов каждого сорта [15].

Таким образом можно определить спектр атомных масс в данной пробе. Можно показать не только какие атомы есть в пробе, но и в каких соотношениях они там содержатся.

Как это выглядит на практике? Пучок ионов проходит в глубоком вакууме через магнитное поле, под прямым углом к нему. В начале вакуумной камеры ионы разгоняются сильным электрическим полем (разность потенциалов V), приобретая энергию - mV²/2. Их траектории в камере несколько различаются по своим радиусам; радиус связан с массой по формуле

где m - атомная масса, е - электрический заряд иона, R - радиус траектории иона в вакуумной камере и В - напряженность магнитного поля (фиг. 7). Итак, общий поток ионов распадается в магнитном поле на несколько пучков, слегка различающихся по траектории. Число атомов в каждом пучке можно определить или передвигая щель коллиматора от одного пучка к другому, или, наоборот, заставляя разные пучки поочередно проходить через щель - это достигается небольшими изменениями напряженности магнитного поля^*.

^* (Масс-спектрометры используются и в других аналитических методиках. Мы еще познакомимся с их применением для анализа продуктов разложения соединений углерода (гл. VI, разд. 9 и гл. XII, разд. 10).)

Фиг. 7. Схема газового масс-спектрометра с отклонением на 180°

Для масс-спектрометрии обычно переводят исследуемое вещество в газообразное состояние. Пробы свинца или другого элемента (за исключением калия), анализируемого на изотопный состав, вводятся в прибор в виде газообразных соединений, которые тут же ионизуются. Ионы через небольшое отверстие попадают в камеру с высоким вакуумом и ускоряются в сильном электрическом поле. Таким образом, установка для масс-спектрометрии состоит из трех основных блоков. Первый - химические приборы, в которых проба очищается, обогащается и переводится в газообразное состояние, пригодное для масс-спектрометрии. Затем идет собственно масс-спектрометр - вакуумная камера, находящаяся в магнитном поле. Этот основной прибор установки обычно выглядит совсем небольшим рядом с дополнительным оборудованием. На выходе прибора стоит громоздкая электронная аппаратура для подсчета ионов, пролетающих через коллиматорную щель в конце вакуумной камеры. Конечный результат в удобочитаемом виде записывается на ленте.

Внедрение в геологию метода масс-спектрометрии привело к усовершенствованию многих методик. Например, разработан метод изотопного разведения, при котором анализируемое веществе смешивается со смесями известного состава, содержащими те же изотопы, которые нам надо определить. Метод изотопного разведения позволяет анализировать очень малые количества вещества. Это чрезвычайно важно, так как расширяет диапазон применения методов определения абсолютного возраста на большое число изверженных и даже на некоторые осадочные породы. Однако мы не можем углубляться в этот предмет, так как это увело бы нас слишком далеко от нашего основного вопроса. Читатель найдет подробные работы по методам определения абсолютного возраста! в списке литературы к этой главе [3, 4, 13, 14].