Один из ме­то­дов опре­де­ле­ния воз­рас­та Земли ос­но­ван на ра­дио­ак­тив­ном рас­па­де урана. Уран (атом­ная масса 238) рас­па­да­ет­ся са­мо­про­из­воль­но с по­сле­до­ва­тель­ным вы­де­ле­ни­ем вось­ми альфа-ча­стиц, а ко­неч­ным про­дук­том рас­па­да яв­ля­ет­ся сви­нец с атом­ной мас­сой 206 и газ гелий. На ри­сун­ке пред­став­ле­на це­поч­ка пре­вра­ще­ний урана-238 в сви­нец-206.

Каж­дая осво­бо­див­ша­я­ся при рас­па­де альфа-ча­сти­ца про­хо­дит опре­де­лен­ное рас­сто­я­ние, ко­то­рое за­ви­сит от ее энер­гии. Чем боль­ше энер­гия альфа-ча­сти­цы, тем боль­шее рас­сто­я­ние она про­хо­дит. По­это­му во­круг урана, со­дер­жа­ще­го­ся в по­ро­де, об­ра­зу­ет­ся во­семь кон­цен­три­че­ских колец. Такие коль­ца (плео­хро­и­че­ские гало) были най­де­ны во мно­гих гор­ных по­ро­дах всех гео­ло­ги­че­ских эпох. Были сде­ла­ны точ­ные из­ме­ре­ния, по­ка­зав­шие, что для раз­ных вкрап­ле­ний урана коль­ца все­гда от­сто­ят на оди­на­ко­вых рас­сто­я­ни­ях от на­хо­дя­ще­го­ся в цен­тре урана.

Когда пер­вич­ная ура­но­вая руда за­твер­де­ва­ла, в ней, ве­ро­ят­но, не было свин­ца. Весь сви­нец с атом­ной мас­сой 206 был на­коп­лен за время, про­шед­шее с мо­мен­та об­ра­зо­ва­ния этой гор­ной по­ро­ды. Раз так, то из­ме­ре­ние ко­ли­че­ства свин­ца-206 по от­но­ше­нию к ко­ли­че­ству урана-238  — вот все,  — что нужно знать, чтобы опре­де­лить воз­раст об­раз­ца, если пе­ри­од по­лу­рас­па­да из­ве­стен. Для урана-238 пе­ри­од по­лу­рас­па­да со­став­ля­ет при­бли­зи­тель­но 4,5 млрд лет. В те­че­ние этого вре­ме­ни по­ло­ви­на пер­во­на­чаль­но­го ко­ли­че­ства урана рас­па­да­ет­ся на сви­нец и гелий.

Таким же об­ра­зом можно из­ме­рить воз­раст дру­гих не­бес­ных тел, на­при­мер ме­тео­ри­тов. По дан­ным таких из­ме­ре­ний воз­раст верх­ней части ман­тии Земли и боль­шин­ства ме­тео­ри­тов со­став­ля­ет 4,5 млрд лет.

По­жа­ры в жилых и про­из­вод­ствен­ных по­ме­ще­ни­ях, как из­вест­но, пред­став­ля­ют се­рьез­ную опас­ность для жизни и здо­ро­вья людей и могут слу­жить при­чи­ной боль­ших ма­те­ри­аль­ных по­терь. По этой при­чи­не важ­ной за­да­чей яв­ля­ет­ся об­на­ру­же­ние по­жа­ра в самом на­ча­ле его воз­ник­но­ве­ния и ран­нее опо­ве­ще­ние людей о на­ча­ле воз­го­ра­ния. Для ре­ше­ния этой за­да­чи ис­поль­зу­ют­ся раз­лич­ные си­сте­мы по­жар­ной сиг­на­ли­за­ции, ос­нов­ным эле­мен­том ко­то­рой яв­ля­ет­ся по­жар­ный из­ве­ща­тель. Пред­на­зна­че­ние по­жар­но­го из­ве­ща­те­ля  — сре­а­ги­ро­вать на раз­лич­ные про­яв­ле­ния по­жа­ра и при­ве­сти в дей­ствие сиг­наль­ную часть по­жар­ной сиг­на­ли­за­ции (на­при­мер, си­ре­ну). По­жар­ные из­ве­ща­те­ли бы­ва­ют двух ос­нов­ных типов: теп­ло­вые (ре­а­ги­ру­ют на по­вы­ше­ние тем­пе­ра­ту­ры) и ды­мо­вые (ре­а­ги­ру­ют на по­яв­ле­ние в воз­ду­хе ча­стиц дыма). Из­ве­ща­те­ли обоих типов могут иметь раз­лич­ные прин­ци­пы дей­ствия и кон­струк­тив­ные осо­бен­но­сти.

а)

б)

в)

Рас­смот­рим в ка­че­стве при­ме­ра иони­за­ци­он­ный ды­мо­вой из­ве­ща­тель. Его ос­нов­ным эле­мен­том яв­ля­ет­ся иони­за­ци­он­ная ка­ме­ра (рис. а), в ко­то­рой на­хо­дит­ся ис­точ­ник ра­дио­ак­тив­но­го из­лу­че­ния - на­при­мер, изо­топ хи­ми­че­ско­го эле­мен­та аме­ри­ция . При ра­дио­ак­тив­ном рас­па­де аме­ри­ций ис­пус­ка­ет альфа-ча­сти­цы, ко­то­рые иони­зи­ру­ют мо­ле­ку­лы воз­ду­ха, при столк­но­ве­ни­ях «раз­би­вая» их на по­ло­жи­тель­но и от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ные ионы. Также в иони­за­ци­он­ной ка­ме­ре на­хо­дят­ся два элек­тро­да. После под­клю­че­ния элек­тро­дов к по­лю­сам ис­точ­ни­ка по­сто­ян­но­го на­пря­же­ния по­ло­жи­тель­ные ионы при­тя­ги­ва­ют­ся к от­ри­ца­тель­но

за­ря­жен­но­му элек­тро­ду, а от­ри­ца­тель­ные ионы  — к по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­но­му элек­тро­ду, и через иони­за­ци­он­ную ка­ме­ру на­чи­на­ет про­те­кать элек­три­че­ский ток (рис. б). Если в такую ка­ме­ру по­па­да­ют ча­сти­цы дыма, то ионы при­тя­ги­ва­ют­ся к ним и осе­да­ют на этих ча­сти­цах (рис. в). В ре­зуль­та­те ко­ли­че­ство ионов в ка­ме­ре резко умень­ша­ет­ся, число но­си­те­лей за­ря­да па­да­ет, и сила тока, те­ку­ще­го через ка­ме­ру, также умень­ша­ет­ся. Имен­но ве­ли­чи­на силы тока, те­ку­ще­го через иони­за­ци­он­ную ка­ме­ру, слу­жит ин­ди­ка­то­ром на­ли­чия дыма, а зна­чит, и по­жа­ра.

Обыч­но при кон­стру­и­ро­ва­нии иони­за­ци­он­но­го ды­мо­во­го из­ве­ща­те­ля в него по­ме­ща­ют сразу две иони­за­ци­он­ные ка­ме­ры: одну от­кры­тую (она яв­ля­ет­ся ра­бо­чей), а вто­рую  — за­кры­тую (она яв­ля­ет­ся эта­лон­ной). В за­кры­тую ка­ме­ру, в от­ли­чие от от­кры­той, дым по­пасть не может, и по­это­му сила те­ку­ще­го через нее тока все время по­сто­ян­на. Элек­три­че­ская схема из­ве­ща­те­ля срав­ни­ва­ет силы токов, те­ку­щих через от­кры­тую и за­кры­тую ка­ме­ры. В слу­чае если эти силы токов силь­но от­ли­ча­ют­ся друг от друга (что про­ис­хо­дит как раз тогда, когда в от­кры­тую ка­ме­ру по­па­да­ет дым), сиг­на­ли­за­ция сра­ба­ты­ва­ет  — элек­три­че­ская схема вклю­ча­ет ее сиг­наль­ную часть (на­при­мер, си­ре­ну), и на­чи­на­ет­ся опо­ве­ще­ние о по­жа­ре. Опи­сан­ный иони­за­ци­он­ный ды­мо­вой из­ве­ща­тель лучше ре­а­ги­ру­ет на дым, со­сто­я­щий из боль­шо­го ко­ли­че­ства мел­ких ча­стиц. В этом слу­чае сум­мар­ная пло­щадь по­верх­но­сти ча­стиц дыма боль­ше, и ионы лучше оса­жда­ют­ся на ча­сти­цах.

Каким об­ра­зом уче­ные опре­де­ля­ют воз­раст ар­хео­ло­ги­че­ских на­хо­док? Су­ще­ству­ет раз­лич­ные ме­то­ды да­ти­ро­ва­ния. Одним из них яв­ля­ет­ся метод ра­дио­изо­топ­но­го да­ти­ро­ва­ния.

Ра­дио­изо­топ­ное да­ти­ро­ва­ние  — метод, при ко­то­ром про­во­дит­ся под­счет ко­ли­че­ства изо­то­пов, ко­то­рые успе­ли рас­пасть­ся за пе­ри­од су­ще­ство­ва­ния ис­сле­ду­е­мо­го об­раз­ца Этот метод ис­поль­зу­ет­ся не толь­ко в ар­хео­ло­гии, но и в па­ле­он­то­ло­гии и в гео­ло­гии.

Ра­дио­угле­род­ный ана­лиз яв­ля­ет­ся одним из видов ра­дио­изо­топ­но­го да­ти­ро­ва­ния, когда воз­раст ма­те­ри­а­лов опре­де­ля­ет­ся с по­мо­щью из­ме­ре­ния со­дер­жа­ния в них ра­дио­ак­тив­но­го изо­то­па уг­ле­ро­да

В ат­мо­сфе­ре при­сут­ству­ют три изо­то­па уг­ле­ро­да: ста­биль­ные (около 98,89%) и (около 1,11%), а также мик­ро­ско­пи­че­ское ко­ли­че­ство ра­дио­ак­тив­но­го изо­то­па (0,0000000001%). Изо­топ об­ра­зу­ет­ся в про­цес­се бом­бар­ди­ров­ки зем­ной ат­мо­сфе­ры кос­ми­че­ски­ми лу­ча­ми в ре­зуль­та­те сле­ду­ю­щей ре­ак­ции:

В ор­га­низ­мах всех живых су­ществ от­но­ше­ние изо­то­пов и равно ат­мо­сфер­но­му от­но­ше­нию этих изо­то­пов и под­дер­жи­ва­ет­ся ско­ро­стью их ме­та­бо­лиз­ма. После того, как ор­га­низм уми­ра­ет, пре­кра­ща­ет­ся обмен уг­ле­ро­да с внеш­ней сре­дой. Со­дер­жа­ние изо­то­па уг­ле­ро­да в ор­га­низ­ме на­чи­на­ет умень­шать­ся в ре­зуль­та­те ра­дио­ак­тив­но­го рас­па­да:

Пе­ри­од по­лу­рас­па­да изо­то­па со­став­ля­ет при­мер­но 5730 лет. Это озна­ча­ет, что через 5730 лет в об­раз­це оста­ет­ся по­ло­ви­на от пер­во­на­чаль­но­го ко­ли­че­ства

Для по­ле­тов к Луне или, на­при­мер, к Марсу до­сточ­но су­ще­ству­ю­щих хи­ми­че­ских ра­кет­ных дви­га­те­лей, в ко­то­рых для со­зда­ния тяги ис­поль­зу­ет­ся энер­гия сго­ра­ния топ­ли­ва. Но для того, чтобы ле­теть даль­ше, к внеш­ним пла­не­там Сол­неч­ной си­сте­мы (или к бли­жай­шим звез­дам), и не тра­тить на это мно­гие де­ся­ти­ле­тия, нужны дви­га­те­ли прин­ци­пи­аль­но­го но­во­го типа. В новых ядер­ных дви­га­те­лях можно ис­поль­зо­вать энер­гию ядер­но­го рас­па­да тя­же­лых ра­дио­ак­тив­ных ядер. Но наи­боль­шую энер­гию на се­го­дняш­ний день можно по­лу­чить, ис­поль­зуя ре­ак­ции тер­мо­ядер­но­го син­те­за.

Любой ра­кет­ный дви­га­тель со­зда­ет тягу, вы­бра­сы­вая в окру­жа­ю­щее про­стран­ство ве­ще­ство, ко­то­рое яв­ля­ет­ся ра­бо­чим телом. Из сопла обыч­ных ракет ис­те­ка­ют га­зо­об­раз­ные про­дук­ты сго­ра­ния топ­ли­ва. В тер­мо­ядер­ном дви­га­те­ле ра­бо­чим телом будут слу­жить во­до­род или гелий, разо­гре­тый энер­ги­ей де­ле­ния ядер урана или плу­то­ния. Сила тяги лю­бо­го дви­га­те­ля за­ви­сит от ско­ро­сти ис­те­че­ния, с ко­то­рой мо­ле­ку­лы ра­бо­че­го тела вы­бра­сы­ва­ют­ся из сопла. Под­няв тем­пе­ра­ту­ру, можно уве­ли­чить ки­не­ти­че­скую энер­гию (и ско­рость) мо­ле­кул. Од­на­ко жа­ро­проч­ные ма­те­ри­а­лы и кон­струк­ции имеют тем­пе­ра­тур­ные пре­де­лы, к тому же под­во­ди­мая энер­гия также огра­ни­че­на. Тер­мо­ядер­ные дви­га­те­ли, ко­то­рые будут разо­гре­вать лег­кий во­до­род, имеют в этом от­но­ше­нии се­рьез­ное пре­иму­ще­ство перед хи­ми­че­ски­ми, про­дук­ты сго­ра­ния ко­то­рых су­ще­ствен­но тя­же­лее.

Сей­час самые луч­шие ра­кет­ные дви­га­те­ли на хи­ми­че­ском топ­ли­ве лишь при­бли­жа­ют­ся к от­мет­ке для ско­ро­сти ис­те­че­ния, рав­ной 4500 м/с. Ядер­ные ра­кет­ные дви­га­те­ли поз­во­ли­ли бы до­стичь тем­пе­ра­ту­ры в де­сят­ки тысяч гра­ду­сов и ско­ро­сти ис­те­че­ния до 20 000 м/с. Но даже в этом слу­чае полет ко­раб­ля до внеш­них пла­нет Сол­неч­ной си­сте­мы занял бы годы.

Между тем су­ще­ству­ет спо­соб под­нять ско­рость ис­те­че­ния на мно­гие по­ряд­ки. Тем­пе­ра­ту­ра плаз­мы при тер­мо­ядер­ном син­те­зе со­став­ля­ет не де­сят­ки тысяч, а мил­ли­о­ны гра­ду­сов, а оце­ноч­ная (тео­ре­ти­че­ская) ско­рость ис­те­че­ния может до­сти­гать до 21 500 000 м/с! В су­ще­ству­ю­щих про­ек­тах тер­мо­ядер­ных дви­га­те­лей поток плаз­мы, со­зда­ю­щий тягу дви­га­те­ля, ис­те­ка­ет из от­кры­тых ци­лин­дров  — маг­нит­ных ло­ву­шек. Самый про­стой ва­ри­ант та­ко­го дви­га­те­ля  — проб­ко­трон (см. рис.), со­сто­я­щий из двух маг­нит­ных ка­ту­шек, рас­по­ло­жен­ных на не­ко­то­ром уда­ле­нии друг от друга и удер­жи­ва­ю­щих плаз­му.

В осве­ти­тель­ных при­бо­рах ис­поль­зу­ют лю­ми­нес­цент­ные лампы, ко­то­рые хотя и стоят до­ро­же, чем лампы на­ка­ли­ва­ния, но при той же яр­ко­сти по­треб­ля­ют мень­ше элек­тро­энер­гии.

Внут­рен­няя по­верх­ность лю­ми­нес­цент­ных ламп по­кры­та лю­ми­но­фо­ром − ве­ще­ством, ко­то­рое не толь­ко от­ра­жа­ет часть па­да­ю­ще­го на них света, но и само на­чи­на­ет све­тить­ся. Такое све­че­ние на­зы­ва­ют фо­то­лю­ми­нес­цен­ци­ей. Свет лю­ми­нес­цен­ции за­ви­сит от со­ста­ва лю­ми­но­фо­ра и имеет иной спек­траль­ный со­став, чем свет, вы­зы­ва­ю­щий све­че­ние. На­блю­де­ния по­ка­зы­ва­ют, что свет лю­ми­нес­цен­ции ха­рак­те­ри­зу­ет­ся боль­шой дли­ной волны, чем воз­буж­да­ю­щий свет.

Прин­цип ра­бо­ты лю­ми­нес­цент­ной лампы при­ве­ден на ри­сун­ке 1:

Лю­ми­нес­цент­ные лампы от­но­сят­ся к особо опас­ной ка­те­го­рии от­хо­дов из-за на­ли­чия в них паров ртути, ко­то­рая от­но­сит­ся к отрав­ля­ю­щим ве­ще­ствам. По­вре­жден­ные или ис­поль­зо­ван­ные лю­ми­нес­цент­ные лампы нель­зя вы­бра­сы­вать в бы­то­вые кон­тей­не­ры для му­со­ра, для ути­ли­за­ции этих ламп су­ще­ству­ет спе­ци­аль­ное обо­ру­до­ва­ние.

На ри­сун­ке 2 пред­став­лен спектр из­лу­че­ния лю­ми­нес­цент­ной лампы в срав­не­нии с сол­неч­ным спек­тром и спек­тром лампы на­ка­ли­ва­ния.

В на­гре­тых телах часть внут­рен­ней энер­гии ве­ще­ства может пре­вра­щать­ся в энер­гию из­лу­че­ния. По­это­му на­гре­тые тела яв­ля­ют­ся ис­точ­ни­ка­ми элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния в ши­ро­ком диа­па­зо­не ча­стот. Это из­лу­че­ние на­зы­ва­ют теп­ло­вым из­лу­че­ни­ем.

Экс­пе­ри­мен­ты по­ка­зы­ва­ют, что теп­ло­вое из­лу­че­ние имеет не­пре­рыв­ный спектр. Раз­де­ле­ние энер­гии из­лу­че­ния тела по спек­тру за­ви­сит от тем­пе­ра­ту­ры тела. При этом для всех тел с уве­ли­че­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры мак­си­мум энер­гии из­лу­че­ния сме­ща­ет­ся в ко­рот­ко­вол­но­вый уча­сток спек­тра, а общая энер­гия из­лу­че­ния воз­рас­та­ет. На ри­сун­ке пред­став­лен гра­фик ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния не­ко­то­ро­го тела по мере его на­гре­ва­ния.

Прин­цип ра­бо­ты ин­фра­крас­но­го тер­мо­мет­ра (пи­ро­мет­ра) за­клю­ча­ет­ся в из­ме­ре­нии ин­тен­сив­но­сти теп­ло­во­го из­лу­че­ния тела в за­ви­си­мо­сти от его тем­пе­ра­ту­ры.

Ин­фра­крас­ный тер­мо­метр поз­во­ля­ет из­ме­рять тем­пе­ра­ту­ру быст­ро, без не­по­сред­ствен­но­го кон­так­та с телом. Но при из­ме­ре­нии тем­пе­ра­ту­ры важно учи­ты­вать ко­эф­фи­ци­ент из­лу­че­ния тела. Раз­ные ма­те­ри­а­лы в за­ви­си­мо­сти от цвета, ма­то­вой или зер­каль­ной по­верх­но­сти по-раз­но­му из­лу­ча­ют тепло. Ко­эф­фи­ци­ент из­лу­че­ния ма­те­ри­а­ла  — это со­от­но­ше­ние энер­гии, из­лу­ча­е­мой по­верх­но­стью ма­те­ри­а­ла к энер­гии из­лу­че­ния аб­со­лют­но чер­но­го объ­ек­та при рав­ной тем­пе­ра­ту­ре. Для аб­со­лют­но чер­ных тел этот ко­эф­фи­ци­ент равен 1. Для осталь­ных же ма­те­ри­а­лов этот ко­эф­фи­ци­ент мень­ше. В пи­ро­мет­рах обыч­но стоит фик­си­ро­ван­ный ко­эф­фи­ци­ент из­лу­че­ния, рав­ный 0,95. Для боль­шин­ства из­ме­ря­е­мых ма­те­ри­а­лов он по­дой­дет, но при су­ще­ствен­но мень­ших ко­эф­фи­ци­ен­тах из­лу­че­ния тел из­ме­ре­ния тем­пе­ра­ту­ры ока­жут­ся не­точ­ны­ми.