Мы привели лишь простейшие примеры изучения механизма химических реакций методом меченых атомов. Таких работ можно найти сотни, и значение их трудно переоценить.
5. Меченые атомы в археологии
Метод меченых атомов проникает во все новые и новые области науки. Даже в такой науке, как археология, меченые атомы помогают определять возраст раскопок.
Природа метит атомы. Из межпланетного пространства к Земле идут лучи, получившие название космических. На своем пути в атмосфере эти лучи разбивают атомы азота и других газов, находящихся в воздухе. В результате такого процесса образуются протоны, нейтроны, электроны, позитроны и мезоны. Мезоны — частицы с массой, в сотни раз большей, чем масса электрона, и зарядом, равным заряду электрона. Таким образом, в составе космических лучей оказываются все перечисленные виды частиц. Эти частицы летят с огромной скоростью и вновь взаимодействуют с встречающимися на их пути атомами. Взаимодействие мезонов с веществом заключается в полном разрушении отдельных атомов и образовании нейтронов, протонов, электронов и позитронов. Нейтроны и протоны несут большую энергию. Взаимодействие их с атомами ведет к образованию радиоактивных элементов. В результате столкновения нейтронов с атомами азота получается радиоактивный углерод с массовым числом 14 и периодом полураспада, равным приблизительно 5570 годам. Этот процесс происходит в земной атмосфере в огромных масштабах.
Космические лучи идут из мирового пространства и днем, и ночью, и зимой, и летом. Интенсивность космических лучей заметно не меняется с веками. Это привело к тому, что в нашей атмосфере в течение длительного времени с одинаковой скоростью образуется из азота радиоактивный углерод, а из него — радиоактивный углекислый газ.
Углекислый газ, находящийся в атмосфере, поглощается растениями, и из него, воды и других веществ получаются углеводы, жиры и белки. Из растений углеводы, содержащие радиоактивный углерод, вместе с пищей попадают в организмы животных. Сама природа метит вещества так, как их метят исследователи в лабораториях. Количество радиоактивного углекислого газа в атмосфере неизменно, так как постоянны и скорость его образования в результате воздействия космических лучей и скорость его радиоактивного распада. Поэтому и доля радиоактивного углерода в живых организмах совершенно определенна. В одном грамме углерода недавно полученной клетчатки, взятого из любого растения, содержится одно и то же количество атомов радиоактивного углерода, а именно, около 75 миллиардов атомов вне зависимости от того, что это за растение и где оно произрастает.
Из 75 миллиардов атомов радиоактивного углерода за две минуты распадается только 17 атомов (распад сопровождается излучением бета-частиц). Такую небольшую активность обнаружить чрезвычайно трудно, но можно. Поэтому ученым пришлось применять специальные методы измерения радиоактивности природных веществ, содержащих радиоактивный углерод.
В живых растениях на место распадающихся атомов радиоактивного углерода приходят новые из углекислого газа атмосферы. В животных организмах пополнение углерода идет за счет питания растениями.
А если растение или животное погибнет? В этом случае на место распадающихся атомов радиоактивного углерода не будут поступать новые атомы из атмосферы. Число атомов радиоактивного углерода в умершем организме будет уменьшаться в соответствии с законом радиоактивного распада: через 6000 лет количество радиоактивного углерода убавится вдвое, через 12 000 лет — вчетверо, через 18 000 лет — в 8 раз и т. д. Поэтому содержание радиоактивного углерода в древних остатках животных и растений может служить своего рода часами, по которым можно определить время смерти животного или растения.
Ученые воспользовались этими часами для определения возраста раскопанных древних поселений и археологических находок.
Представим себе, что в раскопках древнего поселения найден кусок дерева. С помощью счетчика мы можем определить количество атомов радиоактивного углерода, приходящееся на один грамм чистого углерода в дереве, а затем рассчитать, когда это дерево было срублено, и таким образом узнать, к какому времени относится древнее поселение. Например, в образцах деревьев, свалившихся при каких-либо обстоятельствах 11440 и 5720 тысяч лет назад, на один грамм углерода приходится такое количество радиоактивного углерода, которое дает 170 и 340 распадов за 40 минут, а грамм углерода из образца свежесрезанного дерева дает 680 распадов за тот же промежуток времени. Таким путем был определен возраст целого ряда образцов дерева, найденных при проведении раскопок.
