Возраст всяких археологических находок определяют с помощью радиометрического датирования — радиоактивных часов.
Чтобы понять как работают радиоактивные часы, надо понять что такое радиоактивный изотоп, да и вообще, что такое атом.
Химические элементы (железо, свинец, аргон — вот это всё) состоят из атомов. Атомы маленькие и, чтобы описать как они устроены, мы представляем упрощённую аналогию. Футбольное поле — это атом, муха в центре поля — это ядро, а еле заметные пылинки, кружащие вокруг этой мухи — электроны.
Ядро состоит из протонов и нейтронов.
Количество протонов и электронов любого элемента постоянно и равно — один протон-один электрон, семь протонов-семь электронов. Это количество называется атомным числом. Элемент с атомным числом 1 — водород, 2 — гелий, 3 — литий и дальше по таблице Менделеева.
Все эти ребята — протоны, нейтроны, электроны — одинаковы в любом элементе. Нет никаких «золотых» протонов, «медных» нейтронов или «калиевых» электронов. Атом меди делает атомом меди только наличие 29 протонов и электронов.
Все химические реакции — это танцы электронов. Химические связи сравнительно легко образуются и распадаются, потому что обмениваются и отделяются только электроны. А вот силы притяжения между протонами и нейтронами мощнее, но их тоже можно разделить. Процесс их деления называется ядерной реакцией.
Количество нейтронов может меняться и, в отличие от протонов, не определяет к какому химическому элементу относится атом. Варианты атома с одинаковым кол-вом протонов и разным кол-вом нейтронов называются изотопами. У фтора, например, всего один природный изотоп, у свинца пять, у углерода три.
Изотопы бывают стабильные и нестабильные. Нестабильность означает, что изотоп распадается с образованием других атомов. А ещё нестабильные — это значит радиоактивные. Скорость распада каждого изотопа постоянна и известна.
Распад описывается экспонентой. Это значит, что если распадается 100 гр, то за единицу времени распадётся не фиксированное кол-во изотопа, а определённая доля оставшегося вещества. Удобно пользоваться термином период полураспада (на английском — half-life). Например, период полураспада — 1 год, значит через год от 100 гр останется 50 гр, ещё через год останется 25 гр, ещё через год — 12,5 гр. При таком ополовинивании мы не узнаем наверняка, что атомов не осталось, но можем сказать, что спустя достаточно долгое время — например, 10 периодов полураспада — останется так мало атомов исходного элемента, что в практических целях оставшимся кол-вом можно пренебречь.
Примеры периодов полураспада:
С изотопами закончили, переходим к датированию. Предположим, что в начале эксперимента у нас есть некоторое кол-во калия-40. Спустя 1,26 млрд лет (один период) половина калия-40 превратится в аргон-40. Теперь представьте, что мы помещаем некоторое кол-во калия-40 в закрытый контейнер, в котором нет аргона-40. Спустя несколько сотен миллионов лет к контейнеру подходит археолог Лара Крофт и измеряет соотношение калия и аргона. Исходя из этого соотношения и зная, что аргона-40 в начале эксперимента не было, даже при неизвестном начальном кол-ве калия-40 можно вычислить, сколько времени прошло с момента начала распада, то есть с обнуления радиоактивных часов. Нам необходимо и достаточно знать только соотношение родительских (калий-40) и дочерних (аргон-40) изотопов. Это при условии, что часы обнулились. Где взять такой контейнер с обнулёнными часами?
Все радиоактивные часы работают только на магматических породах. Эти породы образуются при затвердевании подземной магмы (гранита) или вулканической лавы (базальта). Когда расплавленная порода застывает, она кристаллизуется. Некоторые кристаллы содержат калий-40. В момент образования кристалла, когда затвердевает расплавленная порода, аргона в ней нет, и, соответственно, часы обнуляются. Это и есть волшебный контейнер. Таким образом, Лара, измеряя соотношение между калием-40 и аргоном-40 во фрагменте вулканической породы, может определить, как давно эта порода кристаллизовалась.
Радиоактивные часы существуют только в породах вулканического происхождения, а динозавры сохраняются в осадочных породах — известняках и песчаниках, которые не имеют отношения к лаве. Как же тогда определить их возраст? Надо определить возраст вулканических пород рядом с осадочной.
И даже если рядом нет вулканических пород, возраст всё равно можно определить. По всему миру встречаются очень похожие слои осадочных пород — это всякие кембрии, юры, мелы, эоцены из учебника природоведения. Слои в разных частях света похожи друг на друга и содержат сходные наборы ископаемых. Нам известен порядок, в котором откладывались эти слои. Исходя лишь из того, что окаменелость найдена в определённой части девонского слоя, её возраст можно определить, скажем, как верхнедевонский.