Момент кристаллизации, который в случае вулканических пород является временем застывания жидкой лавы, это момент, когда часы были обнулены. После этого исходный изотоп непрерывно распадается, а образованный изотоп остается пойманным в кристалле. Все, что вы должны теперь сделать, это измерить отношение двух количеств, отыскать период полураспада исходного изотопа в учебнике физики и легко вычислить возраст кристалла. Как я сказал ранее, окаменелости обычно находят в осадочных породах, в то время как пригодные для установления возраста кристаллы обычно находятся в вулканических породах, таким образом, сами окаменелости приходится датировать косвенно, глядя на вулканические породы, между которыми помещен их слой.
Трудность состоит в том, что часто первым продуктом распада является другой нестабильный изотоп. Аргон 40, первый продукт распада калия 40, оказался стабильным. Но когда распадается уран 238, он проходит через каскад из не менее чем 14 нестабильных промежуточных стадий, включая девять альфа-распадов и семь бета-распадов, прежде чем, наконец, успокоится в виде стабильного изотопа, свинца 206. Самый длинный период полураспада в каскаде (4.5 миллиарда лет) принадлежит первому переходу, от урана 238 к торию 234. У промежуточного перехода в каскаде, от висмута 214 к таллию 210, период полураспада лишь 20 минут, и даже он не является самым быстрым (то есть самым вероятным). Более поздние переходы занимают время, пренебрежимо малое в сравнении с первым, таким образом, наблюдаемое отношение урана 238 к, наконец, устойчивому свинцу 206 может быть сопоставлено с периодом полураспада 4.5 миллиарда лет, чтобы вычислить возраст конкретной горной породы.
Уран-свинцовый и калий-аргоновый методы с их периодами полураспада, измеряемыми в миллиардах лет, полезны для датирования ископаемых большого возраста. Но они слишком грубы для того, чтобы датировать младшие горные породы. Для них нам нужны изотопы с более короткими периодами полураспада. К счастью, в нашем распоряжении диапазон часов с широким выбором периодов полураспада изотопов. Вы выбираете свой период полураспада, дающий наилучшее разрешение для горных пород, с которыми вы работаете. Более того, различные часы можно использовать для контроля друг друга.
В качестве самых быстрых радиоактивных часов обычно используют углерод 14, и, сделав полный круг, это приводит нас к рассказчику этой истории, поскольку древесина – один из главных материалов, который археологи подвергают датированию углеродом 14. Углерод 14 распадается на азот 14 с периодом полураспада 5 730 лет. Углеродные часы необычны тем, что они используются для датирования фактических мертвых тканей, а не окружающих их вулканических пород. Датирование углеродом 14 настолько важно для относительно недавней истории – намного более молодой, чем большинство ископаемых, и охватывающей диапазон истории, обычно называемый археологией – что оно заслуживает специального рассмотрения.
Большая часть углерода в мире представлена в виде стабильного изотопа, углерода 12. Приблизительно одна миллион-миллионная часть углерода в мире представлена нестабильным изотопом, углеродом 14. Обладая периодом полураспада, измеряемым всего лишь в тысячах лет, весь углерод 14 на Земле давно превратился бы в азот 14, если бы не возобновлялся. К счастью, несколько атомов азота 14, самого распространенного в атмосфере газа, непрерывно превращаются, благодаря бомбардировке космических лучей, в углерод 14. Скорость образования углерода 14 почти постоянна. Большая часть углерода в атмосфере, либо углерода 14, либо более обычного углерода 12, химически объединена с кислородом в виде углекислого газа. Этот газ поглощался растениями, и атомы углерода используются для постройки их тканей. Для растений углерод 14 и углерод 12 выглядят одинаково (растения интересуются только химией, а не ядерными свойствами атомов). Два варианта углекислого газа усваиваются приблизительно пропорционально их доступности.
Растения поедаются животными, которых могут съесть другие животные, таким образом, углерод 14 распространяется в известном соотношении относительно углерода 12 повсюду в пищевой цепочке в течение времени, короткого по сравнению с периодом полураспада углерода 14. Эти два изотопа существуют во всех живых тканях в приблизительно том же соотношении, что и в атмосфере, один к миллиону миллионов. Безусловно, они иногда превращаются в атомы азота 14. Но постоянная скорость из превращения компенсируется их непрерывной заменой, через связи пищевой цепочки, при постоянно обновляемом атмосферном углекислом газе.
