Изотопы Урана → 

Материал из Вавилон.wiki

Перейти к: навигация, поиск

Содержание

ИЗОТОПЫ УРАНА. ВРЕМЯ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ И МЕХАНИЗМЫ НАКОПЛЕНИЯ РАДИОГЕННЫХ СВИНЦОВ=

Время образования изотопов урана

Проблема возраста химических элементов не является проблемой собственно геохронологии как науки, «изучающей возрастную последовательность геологических процессов» (Ранкама, 1956). Но при определении возраста земной коры и Земли в целом как планеты- части Солнечной системы «эта проблема возникла в связи с решением задачи о верхней (максимальной) границе возраста Земли [1, 23]. В ранний период становления геохронологии возраст Земли и элементов устанавливался на основе анализа распространенности изотопов U,Pb\! [1, 2; Соботович, 1970]. Потом были использованы данные по распространенности K, Ar, Ne, Sm, Cm, Pu\! и т.д., а также стабильных изотопов (O, Si\! и др.) [3]. Основные результаты с использованием нескольких «моделей» (гипотез) образования вещества Солнечной системы изложены во многих работах [3 и др.].

Существуют две основные гипотезы образования ядер элементов, в частности, урана: 1) путем одноактного процесса или 2) постепенно в пределах нашей Галактики в течение 20 млрд. лет при окончании процесса нуклеосинтеза около 5 млрд. лет назад (Соботович, 1970). Считается, что «имеющиеся в настоящее время изотопные данные заставляют отказаться от представлений о гомогенной Солнечной системе в пользу изотопно гетерогенной модели …» [3]. Однако «происхождение изотопной гетерогенности остается спорным вопросом» [3, стр.223]. Одной из проблем, возникающих при решении этих вопросов, «…остается не объяснимым отсутствие значительных вариаций изотопного состава урана» [3, стр.9].

Впервые вопрос об определении возраста U на основе первой гипотезы поднял Резерфорд (Баранов, 1955), использовавший для этих целей отношение  R(U)= {{}^{238}U\over {}^{235}U}. Приняв R(U)= 1 \!, он получил значение возраста в 4 млрд. лет. В то же время появились предпосылки для возникновения и второй гипотезы. Это косвенно следует из методики Коллинса и др. [2], принявшего за начало образования элементов время, при котором распространенность изотопа свинца {}^{206}Pb\! равна нулю ("приобретает отрицательное значение"). А это означает, что авторы [3] предполагают существование такого интервала времени (1 этап), когда существовал только изотоп {}^{238}U\!. Во второй этап был образован уже изотоп {}^{235}U\!. Следствием этого должна быть независимость концентраций этих изотопов друг от друга, в результате чего в разных частях Солнечной системы возможны разные значения R(U)\!. Как отмечалось [З, стр.9], имеющиеся измерения этого отношения в объектах разного возраста и генетической природы показали значительное его постоянство. В то же время проведенные измерения в некоторых фракциях метеоритов установили колебания концентраций изотопов R(U)\! в пределах 89,88-163,50 [7], природа которых не установлена. В дальнейшем при анализе (Burbidge et al., 1957; Fowler et al., 1960) исходной распространенности изотопов U\! были приняты значения R(U)=1; =1,65; =2,0\!. При согласовании с другими данными (распространенность Ar, Sr\! и др. элементов (Левский, Морозова, 1969)) окончательно принято значение R(U)=1,64- 1,65\! при условии, что изотопы U\! образованы в простой сверхновой звезде, остатками которой являются Солнце и Солнечная система [7].

Не вставая на ту или иную точку зрения о механизме образовании элементов, отметим, что возможности определения величины R(U)\! для первой гипотезы не исчерпаны. При решении задачи приняты аксиомы:

-значения постоянных радиоактивного распада ядер {}^{235}U\! и {}^{238}U\! соответственно есть величины постоянные и не зависимые от времени: λ8 = 1,536910 − 10 и λ5 = 9,72110 − 10 (Шуколюков и др., 1974);
-время протекания нуклеосинтеза настолько мало, что к моменту его завершения количество атомов дочернего элемента, которое образовалось при появлении первых и последуюших атомов U\!, бесконечно мало. Другими словами образование ядер изотопов U\! происходит практически мгновенно. Условием выполнения этой гипотезы является замкнутость системы, в которой определяется распространенность атомных ядер (Баранов, 1955). Изотопы урана достаточно хорошо удовлетворяют этому условию, поскольку в природных условиях они практически не разделяются, всегда мигрируют вместе и величина R(U)\! определяется только радиоактивным распадом. Редкие отклонения, достигающие R(U)= 200\! в Окло (Ланцелот и др., 1975) или R(U)= 89- 163,5\! в метеоритах [7], в общем, не меняют представлении о постоянстве R(U)=137,88\! (Шуколюков и др.,1974).

По современным взглядам [7] Солнце и Солнечная система - остатки от взрыва некоторой Сверхновой звезды, соответствуя первому механизму образования урана. Тогда на некотором отрезке времени после взрыва, обозначаемого через t_{p}^{**}\!, начинается синтез атомов U\! с выполнением указанных условий. С этого момента действует уравнение радиоактивного распада в форме  {}^{i}U_{t_{p}^{*}} = {{}^{i}U_{0}}\cdot{\exp{\left(-\lambda_{i}\cdot {t_{p}^{*}}\right)}}), в котором {}^{i}U_{0}\! –исходное, {}^{i}U_{t_{p}^{*}}\!- конечное количество атомов к моменту времени t_{p}^{*}\! (i= 235, 238\!);  \lambda_{i}\! –постоянная радиоактивного распада; t_{p}^{*}=\Delta{t_{p}^{**}}= t_{p_{2}^{**}}- t_{p_{1}^{**}}\! . Количество выделившегося Pb\! определится по уравнению (1):

 \left ({{}^{206}Pb \over {}^{207}Pb}\right )_{t_{p}^{*}} = {\left ({{}^{238}U\over {}^{235}U}\right )_{0}}\cdot {{\left (1-{\exp{\left(-\lambda_{8}\cdot {t_{p}^{*}}\right)}} \right )}\over {\left (1-{\exp{\left(-\lambda_{5}\cdot {t_{p}^{*}}\right)}} \right )}} \qquad (1)

Простая подстановка t_{p}^{*}= 0\! приводит к тому, что lim  \left ({{}^{206}Pb \over {}^{207}Pb}\right ) = limR(U)= 0/0 \! . Обходя эту неопределенность с помощью правила Лопиталя, при t_{p}^{*} \rightarrow 0\! Г.Фор (1989 г.) получил соотношение (2), определяющее исходную величину отношения концентраций.

\left ({{}^{206}Pb\over {}^{207}Pb}\right )_{0} = lim \left ({{}^{206}Pb\over {}^{207}Pb}\right )_{t_{p}^{*} \rightarrow 0} = {\left ( {\lambda_{8} \over \lambda_{5}} \right)} {R(U)_{0}} \qquad (2)

С другой стороны положим, что  \Delta t_{p}^{*}\! - это время, в течение которого происходит радиоактивный распад одного атома {}^{238}U\! и образование соответственно атома {}^{206}Pb\!. За этот же отрезок времени количество распавшихся атомов {}^{235}U\! и образовавшихся атомов {}^{207}Pb\! найдется по отношению \lambda_{8} \over \lambda_{5} . Подстановка его в (2) дает величину исходного отношения (3) концентраций изотопов U\!.


Механизмы накопления радиогенных свинцов

РАЗНОЕ


ЛИТЕРАТУРА

Инструменты