В это время в Кавендишской лаборатории работал молодой химик Ф. В. Астон. Он вознамерился немедленно подтвердить или опровергнуть сообщение Дж.Дж. Томсона. После окончания первой мировой войны Астон усовершенствовал конструкцию томсоновского «прибора с положительными лучами» и назвал свой прибор масс-спектрографом. С помощью масс-спектрографа он не только подтвердил данные работы Томсона по неону, но и открыл третий изотоп с массой 21 [1]. Астон посвятил остаток своей жизни созданию все более точных масс-спектрографов, открыв с их помощью 212 из 287 существующих природных изотопов. Он также измерил массы этих изотопов и вычислил атомные массы элементов на основании относительного содержания их изотопов в природной смеси. За эти достижения Астон в 1922 г. был награжден Нобелевской премией по химии. В последующие годы конструкция масс-спектрографа была усовершенствована А.Дж. Демпстером, К. Т. Бейнбриджем, А. О. Ниром, М. Г. Инграмом, X. Е. Дакуэртом и многими другими. Масс-спектрограф превратился в высокочувствительный и точный инструмент для измерения изотопного состава элементов в геологических объектах.

Альфред О. Нир, работая после защиты диссертации в лаборатории К. Т. Бейнбриджа в Гарвардском университете в 1936-1938 гг., заинтересовался, в частности, проблемами геохронологии [15]. В сотрудничестве с Бакстером он начал проводить измерения изотопного состава свинца и разработал новые методы датирования, основанные на радиоактивном превращении урана и тория в свинец. После возвращения на кафедру в Университет штата Миннесота Нир опубликовал работу [14] о новой конструкции масс-спектрометров, в которой он предложил использовать 60-градусный секторный электромагнит вместо громоздких 180-градусных магнитов, применявшихся ранее. После второй мировой войны в нировском механическом цехе были созданы десятки масс-спектрометров его конструкции. Это позволило многим другим ученым участвовать в изотопных исследованиях и внести свой вклад в чрезвычайно быстро развивающееся научное направление - изотопную геологию [22].

Применение радиоактивности

Радиоактивность вызывает генерацию тепла в породах, и предоставляет возможность точного измерения возраста пород и минералов. На эту возможность указывали примерно в 1905 г. и Резерфорд, и Болтвуд. В курсе лекций, прочитанных Резерфордом в Йельском университете в 1905 г., он показал, что возраст урановых минералов можно вычислять путем измерения количеств гелия, накапливаемого такими минералами. Резерфорд практически выполнил подобное определение возраста нескольких урановых минералов и получил значения около 500 млн. лет. Это, несомненно, доказывало, что расчеты возраста Земли, сделанные лордом Кельвином, неверны. И это произошло менее чем через 10 лет, после того как лорд Кельвин представил окончательное решение проблемы. В 1904 г. Резерфорд прочитал лекцию в Королевском институте об эффекте теплообразования, происходящего вследствие радиоактивного распада радия и об уменьшении скорости охлаждения Земли за счет этого эффекта. Когда Резерфорд вошел в лекционный зал, он ощутил чувство неловкости, поскольку увидел, что в аудитории находится лорд Кельвин. Резерфорд, однако, избежал возможных резких дискуссий со старым ученым, заявив, что лорд Кельвин вычислил возраст Земли, исходя из ее тепловой истории при условии, что новых источников тепла не будет обнаружено. Следовательно, лорд Кельвин, по сути дела, предвидел открытие радиоактивности и возможность теплообразования за счет распада радиоактивных элементов! Лорд Кельвин просиял от удовольствия и крепко проспал всю остальную часть лекции. В 1904 г. американский химик Бертран Болтвуд сообщил, что отношение U/Ra в большинстве древних минералов постоянно. После того как Болтвуд прослушал лекции Резерфорда в Йельском университете, он высказал предположение, что конечным стабильным продуктом распада урана является свинец. Это предположение было сделано на основании очень точного химического анализа уранита и других урановых минералов, который Болтвуд выполнил для производственных задач керамической промышленности, где эти вещества использовались в качестве пигментов. Впоследствии Болтвуд [3] опубликовал первые данные по определению возраста трех образцов уранинита на основе измерения отношения U/Pb. Полученные им значения возраста варьируют от 410 до 535 млн. лет и достаточно хорошо согласуются с современными датировками аналогичных минералов из соответствующих участков месторождений. Датировки Болтвуда были сделаны до открытия изотопии, до того, как стало известно, что свинец образуется также при распаде тория, и до того, как скорость распада урана была определена достаточно точно.

Состояние проблемы было тщательно проанализировано Артуром Холмсом в книге «Возраст Земли», которая вышла в свет в 1913 г. [10], когда автору было 23 года. В этой книге Холмс убедительно показал важность использования радиоактивности в решении вопроса о возрасте Земли и составил первую геохронологическую шкалу. Шкала была основана на рассмотрении данных о мощности отложений осадочных пород и анализе данных об образовании гелия и свинца в урансодержащих минералах. С самого начала Холмс был убежденным сторонником использования явления радиоактивного распада для решения проблем геологии [9]. Геологи, однако, не всегда разделяли его энтузиазм, и Холмс в 1913 г. [10] с сожалением отметил, что «сюрпризы, которые приготовила нам радиоактивность, не всегда получали то признание, которое они заслуживали». Одним из сюрпризов, о которых говорил Холмс, были данные на первый взгляд о чрезмерной длительности геологической истории, полученные при исследовании радиоактивности минералов. Сложилась ситуация, к которой трудно было относиться без некоторой иронии: хотя только 15 лет прошло с тех пор, как лорд Кельвин сокрушил геологов своими «неопровержимыми» вычислениями, свидетельствующими, что возраст Земли не может быть более 40 млн. лет, некоторые геологи теперь уже оказались недовольны тем, что по данным о радиоактивном распаде возраст Земли получался слишком большим! Трудности возникли из-за того, что возраст по данным о радиоактивном распаде значительно превышал возраст, рассчитанный по скорости эрозии, содержанию солей в океанах и по скорости седиментации. Эти расхождения свидетельствовали о том, что либо процесс седиментации в прошлом происходил с меньшей, чем сейчас, скоростью, либо очень большое количество осадков было разрушено в процессе эрозии. Ни одна, ни другая альтернатива не привлекала тех геологов, которые поставили под сомнение достоверность полученных новыми методами значений возраста. В геохронологической шкале, опубликованной Холмсом в 1913 г. для архейских гнейсов, приводился возраст 1300 млн. лет, однако Холмс предполагал, что возраст самых древних архейских пород должен быть около 1600 млн. лет. Большую часть своей научной деятельности он посвятил вопросам применения явления радиоактивности для решения геологических проблем. Работа над геохронологической шкалой оставалась для него важнейшим делом в течение всей его жизни.