Энциклопедичный YouTube
1 / 5
Радиоуглеродное датирование, часть 1
Радиоуглеродное датирование, часть 2
Радиоизотопное датирование: надежны ли основы методики?
Туринская плащаница - радиоуглеродный анализ
Антикитерский механизм правда и вымысел
Субтитры
В этом видео я хотел бы остановиться, во-первых, на том, как появляется углерод-14 и как он проникает во все живое. А затем, либо в этом, либо в следующих видео, мы поговорим о том, как его используют для датирования, то есть, как с его помощью можно обнаружить, что этой кости 12 000 лет, или что этот человек умер 18 000 лет назад - все, что угодно. Нарисуем Землю. Это поверхность Земли. Точнее, лишь малая ее часть. Потом идет атмосфера Земли. Я нарисую ее желтым. Вот здесь у нас атмосфера. Подпишем ее. И 78% - самый распространенный элемент в нашей атмосфере - азот. Здесь 78% азота. Я запишу: «азот». Его обозначение - это N. В нем 7 протонов и 7 нейтронов. Так что атомная масса равна примерно 14. А самый распространенный изотоп азота… Мы разбираем понятие изотопа в видео по химии. В изотопе протоны определяют, какой это элемент. Но вот этот номер может меняться в зависимости от имеющегося числа нейтронов. Отличающиеся таким образом варианты данного элемента называются изотопами. Я представляю себе это как версии одного элемента. В любом случае, у нас есть атмосфера, а также исходящее от нашего солнца так называемое космическое излучение, но, фактически, это не излучение. Это космические частицы. Можно рассматривать их как одиночные протоны, что то же самое, что и ядра водорода. Это также могут быть альфа-частицы, что то же самое, что и ядра гелия. Иногда бывают также электроны. Они прилетают, потом сталкиваются с составляющими нашей атмосферы и, по сути, формируют нейтроны. Итак, образуются нейтроны. Обозначим нейтрон малой буквой n, тогда 1 - его массовое число. Мы ничего не пишем, потому что здесь нет протонов. В отличие от азота, где было 7 протонов. Так что это, строго говоря, не элемент. А субатомная частица. Так вот, формируются нейтроны. И время от времени… Скажем прямо, это не похоже на типичную реакцию. Но время от времени один из этих нейтронов сталкивается определенным образом с атомом азота-14. Выбивает один из протонов азота и, по сути, сам встает на его место. Сейчас объясню. Он выбивает один из протонов. Теперь вместо семи протонов у нас получится 6. Но этот номер 14 не сменится на 13, потому что произошла замена. Так что здесь останется 14. Но теперь, так как здесь всего 6 протонов, это уже, по определению, не азот. Теперь это углерод. А тот протон, который был выбит, будет излучен. Я изображу это другим цветом. Здесь плюс. Протон, испущенный в пространство… Можно называть его водородом 1. Каким-то образом он может притянуть электрон. Если он не получит электрон, это просто будет ион водорода, положительный ион, в любом случае, или ядро водорода. Данный процесс - не типичное явление, но оно случается время от времени - именно так образуется углерод-14. Так что вот здесь углерод-14. По сути, вы можете рассматривать это как азот-14, где один из протонов заменен нейтроном. Интересно то, что он постоянно образуется в нашей атмосфере, не в огромных количествах, но в заметных. Запишу это. Постоянное формирование. Хорошо. Теперь… Я хочу, чтобы вам было понятно. Посмотрим на периодическую таблицу. По определению у углерода 6 протонов, но типичный, самый распространенный изотоп углерода - это углерод-12. Углерод-12 наиболее распространен. Большая часть углерода в нашем теле - это углерод-12. Но интересно то, что там образуется малая доля углерода-14, а затем этот углерод-14 может соединиться с кислородом и образовывать диоксид углерода. Затем диоксид углерода поглощается атмосферой и океаном. Его могут захватить растения. Когда говорят о связывании углерода, фактически, имеют в виду использование энергии солнечного света для захвата газообразного углерода и превращения его в органическую ткань. Так что углерод-14 образуется постоянно. Он проникает в океаны, он в воздухе. Смешивается со всей атмосферой. Запишем: океаны, воздух. А затем попадает в растения. Растения, фактически, состоят из этого связанного углерода, который был захвачен в газообразной форме и переведен, можно так сказать, в твердую форму, в живую ткань. Например, из этого состоит древесина. Углерод встраивается в растения, а потом оказывается в тех, кто ест растения. Это можем быть мы. Почему это интересно? Я уже объяснил механизм, даже если углерод-12 - самый распространённый изотоп, частично наше тело, за время жизни накапливает и углерод-14. Интересно то, что вы можете получать этот углерод-14 только пока живёте и пока поглощаете пищу. Потому что как только вы умираете и вас хоронят под землёй, углерод-14 больше никак не может становиться частью ваших тканей, потому что вы больше не едите ничего содержащего углерод-14. И как только вы умираете, вы больше не получаете пополнения углерода-14. И тот углерод-14, который у вас был в момент смерти, будет распадаться путём β-распада - мы это уже изучали - обратно в азот-14. То есть процесс идёт вспять. Итак, он распадётся до азота-14, и в β-распаде выделяется электрон и анти-нейтрино. Я сейчас не буду вдаваться в детали. По сути, вот, что здесь происходит. Один из нейтронов превращается в протон, и в процессе реакции испускает вот это. Почему это интересно? Как я сказал, пока вы живёте, происходит поступление углерода-14. Углерод-14 постоянно распадается. Но как только вас не станет и вы больше не будете потреблять растения, или дышать в атмосфере, если вы сами - растение, захватывать углерод из воздуха - что и касается растений… Когда растение умирает, оно больше не потребляет из атмосферы диоксид углерода и не встраивает его в ткани. Углерод-14 в этой ткани «замораживается». Затем происходит его распад с определённой скоростью. Потом ее можно использовать для определения того, как давно умерло существо. Скорость, с которой это происходит, скорость распада углерода-14 до исчезновения его половины или распада наполовину примерно 5 730 лет. Это называется периодом полураспада. Мы говорим об этом в других видео. Это называется периодом полураспада. Я хочу, чтобы вам это было понятно. Неизвестно, которая из половин исчезла. Это вероятностное понятие. Вы лишь можете предположить, что весь углерод-14 слева распадётся, а весь углерод-14 справа не распадётся в течение этих 5 730 лет. По сути, это значит, что любой из данных атомов углерода-14 имеет 50-процентный шанс распасться до азота-14 в течение 5 730 лет. То есть через 5 730 лет примерно половина из них распадётся. Почему это важно? Если вы знаете, что все живые существа имеют определённую долю углерода-14 в своих тканях как часть составляющих их веществ, и затем находите какую-либо кость… Допустим, вот вы нашли кость во время археологических раскопок. Вы скажете, что эта кость имеет половину углерода-14 по сравнению с живыми существами вокруг вас. Было бы совершенно разумно предположить, что этой кости должно быть 5 730 лет. Ещё лучше, если вы копнете ещё глубже и найдёте ещё одну кость. Может, на пару футов глубже. И обнаружите, что в ней содержится 1/4 углерода-14 от того, что можно было бы найти в живом существе. Тогда сколько ему лет? Если в ней всего 1/4 углерода-14, он прошёл через 2 полураспада. После одного полураспада у него осталось бы 1/2 углерода. Затем, после второго полураспада, половина от этого также превратится в азот-14. Так что здесь произошло 2 периода полураспада, что дает 2 раза по 5 730 лет. Каков будет вывод о возрасте предмета? Плюс-минус 11 460 лет. Subtitles by the Amara.org community
Физические основания
В 2015 году учёные из Имперского колледжа Лондона подсчитали, что дальнейшее использование углеводородов сведёт на нет радиоуглеродный метод.
Исследователи измерили содержание углерода-14 в деревьях, растущих на юге Иордании, определили их возраст и сравнили полученные датировки со стандартной шкалой метода. В результате они обнаружили расхождения в среднем на 19 лет. Относительно небольшая неточность, тем не менее, может существенно сказаться на археологических исследованиях раннебиблейской эпохи и палеоэкологических реконструкциях. Результаты изложены в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Радиоуглеродный анализ - один из основных методов датировки растений и археологических предметов с содержанием органического материала. Ученые уже давно его используют, поэтому сейчас уже выработаны стандартные шкалы для Северного и Южного полушарий, которые называются калибровочными кривыми. Они представляют собой зависимость календарного и радиоуглеродного возрастов. Эти кривые достаточно близки к прямой линии, но отражают вариации соотношения изотопов в различные эпохи.
«Мы начали проверять предположения, на которых покоится вся область радиоуглеродного датирования, - говорит ведущий автор работы Стюарт Мэннинг из Корнеллского университета в США. - Из атмосферных измерений последних 50 лет мы знаем, что содержание изотопов углерода меняется в течение года, а также понимаем, что в различных точках Северного полушария растения зачастую активно растут в разное время. Мы хотели выяснить, насколько сильно колеблется зависимость [точности радиоуглеродного датирования] от исследуемой [географической] области, и может ли это повлиять на археологическую датировку».
Материалом для исследования стали растущие на юге Иордании деревья, возраст которых известен ученым. Авторы измеряли возраст их годовых колец при помощи радиоуглеродного метода и обнаружили сдвиг на 19 лет относительно стандартной калибровочной кривой Северного полушария. В результате, утверждают ученые, многие работы по истории этого региона, который также включает современную территорию Израиля, могут опираться на неверные предположения. Например, имеет смысл перепроверить датировки раннебиблейских событий, так как использованные во многих работах калибровочные кривые просто не подходят для данной области.
Авторы применили результаты к нескольким опубликованным ранее хронологическим таблицам и выяснили, что даже небольшой сдвиг датировок может привести к изменению календарных дат, что необходимо учитывать при решении спорных вопросов истории, археологии и климата прошлого. «Наша работа должна стать началом пересмотра и переосмысления временной шкалы археологии и ранней истории южного Леванта в течение раннего библейского периода», - подытоживает Мэннинг.
Понравился материал? в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.
Влияние выброса ископаемого углерода
См. также
Литература
- Герасимов И. П. Радиоуглеродные исследования Радиометрической лаборатории Института географии АН СССР: Сообщ. 1-5: // Бюллетень Комиссии по изучению четвертичного периода . Сообщ. 1: 1975. № 44. С. 154-159; Сообщ. 2: 1976. № 46. С. 185-189; Сообщ. 3: 1979. № 49. С. 179-187; Сообщ. 4: 1980. № 50. С. 206-213; Сообщ. 5: 1983. № 52. С. 205-211.
- Вагнер Г. А. Научные методы датирования в геологии, археологии и истории: Учебник. - М. : Техносфера, 2006. - 534 с. - ISBN 5-94836-037-7 .
- Короновский Н. В. Общая геология: Учебник. - 2-е изд. - М. : Издательство «КДУ», 2010. - С. 122-124. - 526 с. - ISBN 978-5-98227-682-7 .
- * L. Currie «The Remarkable Metrological History of Radiocarbon Dating II» . J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 109 (2004) 185-217.
Примечания
- Godwin, H. (1962). “Half-life of radiocarbon”. Nature . 195 (4845): 984. Bibcode :
Многие ссылаются на результаты радиоуглеродного датирования, но не всякий знает суть и применимость этого метода. К тому же существуют и «подводные камни», внимание на которые нужно непременно обратить. В подборке материалов читателей ждёт знакомство с беглым обзором радиоуглеродного метода, а также мнения «за» и «против».
Радиоуглеродное датирование - метод датирования органических материалов путем измерения содержания радиоактивного изотопа углерода 14С. Этот метод широко применяется в археологии и науках о Земле.
Источники радиоуглерода
Земля и ее атмосфера постоянно подвергаются радиоактивной бомбардировке потоками элементарных частиц из межзвездного пространства. Проникая в верхние слои атмосферы, частицы расщепляют находящиеся там атомы, способствуя высвобождению протонов и нейтронов, а также более крупных атомных структур. Содержащиеся в воздухе атомы азота поглощают нейтроны и высвобождают протоны. Эти атомы имеют, как и прежде, массу 14, но обладают меньшим положительным зарядом; теперь их заряд равен шести. Таким образом исходный атом азота превращается в радиоактивный изотоп углерода:
где n, N, С и р означают соответственно нейтрон, азот, углерод и протон.
Образование радиоактивных нуклидов углерода из атмосферного азота под воздействием космических лучей происходит со средней скоростью ок. 2,4 ат./с на каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Изменения солнечной активности могут обусловить некоторые колебания этой величины. Поскольку углерод-14 радиоактивен, он нестабилен и постепенно превращается в атомы азота-14, из которых образовался; в процессе такого превращения он выделяет электрон – отрицательную частицу, что и позволяет зафиксировать сам этот процесс.
Образование атомов радиоуглерода под воздействием космических лучей обычно происходит в верхних слоях атмосферы на высотах от 8 до 18 км. Подобно обычному углероду, радиоуглерод окисляется в воздухе, и при этом образуется радиоактивный диоксид (углекислый газ). Под воздействием ветра атмосфера постоянно перемешивается, и в конечном итоге радиоактивный углекислый газ, образовавшийся под воздействием космических лучей, равномерно распределяется в атмосферном углекислом газе. Однако относительное содержание радиоуглерода 14C в атмосфере остается чрезвычайно малым – ок. 1,2*10–12 г на один грамм обычного углерода 12С.
Радиоуглерод в живых организмах
Все растительные и животные ткани содержат углерод. Растения получают его из атмосферы, а поскольку животные поедают растения, в их организмы в опосредованной форме тоже попадает диоксид углерода. Таким образом, космические лучи являются источником радиоактивности всех живых организмов.
Смерть лишает живую материю способности поглощать радиоуглерод. В мертвых органических тканях происходят внутренние изменения, включая и распад атомов радиоуглерода. В ходе этого процесса за 5730 лет половина исходного числа нуклидов 14C превращаются в атомы 14N. Этот интервал времени называют периодом полураспада 14С. Спустя еще один период полураспада содержание нуклидов 14С составляет всего 1/4 их исходного числа, по истечении следующего периода полураспада – 1/8 и т.д. В итоге содержание изотопа 14C в образце можно сопоставить с кривой радиоактивного распада и таким образом установить промежуток времени, истекший с момента гибели организма (его выключения из кругооборота углерода). Однако для такого определения абсолютного возраста образца необходимо допустить, что начальное содержание 14С в организмах на протяжении последних 50 000 лет (ресурс радиоуглеродного датирования) не претерпевало изменений. На самом деле образование 14С под воздействием космических лучей и его поглощение организмами несколько менялось. В результате измерение содержания изотопа 14С в образце дает лишь приблизительную дату. Чтобы учесть влияние изменений начального содержания 14С, можно использовать данные дендрохронологии о содержании 14C в древесных кольцах.
Метод радиоуглеродного датирования был предложен У.Либби (1950). К 1960 датирование по радиоуглероду получило всеобщее признание, радиоуглеродные лаборатории были созданы по всему миру, а Либби был удостоен Нобелевской премии по химии.
Метод
Образец, предназначаемый для радиоуглеродного анализа, следует брать с помощью абсолютно чистых инструментов и хранить в сухом виде в стерильном полиэтиленовом пакете. Необходима точная информация о месте и условиях отбора. Идеальный образец древесины, древесного угля или ткани должен весить примерно 30 г. Для раковин желательна масса 50 г, а для костей – 500 г (новейшие методики позволяют, впрочем, определять возраст и по гораздо меньшим навескам). Каждый образец необходимо тщательно очистить от более древних и более молодых углеродсодержащих загрязнений, например, от корней выросших позже растений или от обломков древних карбонатных пород. За предварительной очисткой образца следует его химическая обработка в лаборатории. Для удаления инородных углеродсодержащих минералов и растворимых органических веществ, которые могли проникнуть внутрь образца, используют кислотный или щелочной раствор. После этого органические образцы сжигают, раковины растворяют в кислоте. Обе эти процедуры приводят к выделению газообразного диоксида углерода. В нем содержится весь углерод очищенного образца, и его иногда превращают в другое вещество, пригодное для радиоуглеродного анализа.
Существует несколько методов измерения активности радиоуглерода. Один из них основан на определении количества электронов, выделяющихся в процессе распада 14С. Интенсивность их выделения соответствует количеству 14С в исследуемом образце. Время счета составляет до нескольких суток, поскольку за сутки происходит распад всего лишь примерно четверти миллионной доли содержащегося в образце количества атомов 14С. Другой метод требует использования масс-спектрометра, с помощью которого выявляются все атомы с массой 14; особый фильтр позволяет различать 14N и 14С. Поскольку при этом нет необходимости ждать, пока произойдет распад, счет 14С можно осуществить меньше, чем за час; достаточно иметь образец массой в 1 мг. Прямой масс-спектрометрический метод называют АМС-датировкой. При этом используются сложные высокочувствительные приборы, которыми располагают, как правило, центры, ведущие исследования в области ядерной физики.
Традиционный метод требует гораздо менее громоздкого оборудования. Сначала применяли счетчик, определяющий состав газа и по принципу работы сходный со счетчиком Гейгера. Счетчик наполняли углекислым или иным газом (метаном либо ацетиленом), полученным из образца. Любой радиоактивный распад, происходящий внутри прибора, вызывает слабый электрический импульс. Энергия радиационного фона окружающей среды обычно колеблется в широких пределах, в отличие от радиации, вызванной распадом 14С, энергия которого, как правило, близка к нижней границе фонового спектра. Весьма нежелательное соотношение фоновых величин и данных по 14С можно улучшить путем изоляции счетчика от внешней радиации. С этой целью счетчик закрывают экранами из железа или высокочистого свинца толщиной в несколько сантиметров. Кроме того, стенки самого счетчика экранируют расположенными вплотную один к другому счетчиками Гейгера, которые, задерживая все космическое излучение, примерно на 0,0001 секунды дезактивируют и сам счетчик, содержащий образец. Метод экранирования сводит фоновый сигнал до нескольких распадов в минуту (образец древесины массой 3 г, относящийся к 18 в., дает ~40 случаев распада 14С в минуту), что позволяет датировать довольно древние образцы.
Примерно с 1965 широкое распространение в датировании получил метод жидкостной сцинтилляции. При его использовании полученный из образца углеродсодержащий газ превращают в жидкость, которую можно хранить и исследовать в небольшом стеклянном сосуде. В жидкость добавляют специальное вещество – сцинтиллятор, – которое заряжается энергией электронов, высвобождающихся при распаде радионуклидов 14С. Сцинтиллятор почти сразу испускает накопленную энергию в виде вспышек световых волн. Свет можно улавливать с помощью фотоумножительной трубки. В сцинтилляционном счетчике имеются две такие трубки. Ложный сигнал можно выявить и исключить, поскольку он послан лишь одной трубкой. Современные сцинтилляционные счетчики характеризуются очень низким, почти нулевым, фоновым излучением, что позволяет датировать с высокой точностью образцы возрастом до 50 000 лет.
Сцинтилляционный метод требует тщательной подготовки образцов, поскольку углерод должен быть превращен в бензол. Процесс начинается с реакции между диоксидом углерода и расплавленным литием, в результате которой образуется карбид лития. В карбид понемногу добавляют воду, и он растворяется, выделяя ацетилен. Этот газ, содержащий весь углерод образца, под действием катализатора превращается в прозрачную жидкость – бензол. Следующая цепочка химических формул показывает, как углерод в этом процессе переходит из одного соединения в другое:
Все определения возраста, полученные на основе лабораторного измерения содержания 14С, называют радиоуглеродными датами. Они приводятся в количестве лет до наших дней (ВР), а за момент отсчета принимается круглая современная дата (1950 или 2000). Радиоуглеродные даты всегда приводят с указанием возможной статистической ошибки (например, 1760 ± 40 до ВР).
Применение
Обычно для установления возраста события применяют несколько методов, особенно если речь идет о сравнительно недавнем событии. Возраст крупного, хорошо сохранившегося образца может быть установлен с точностью до десяти лет, но для неоднократного анализа образца требуется несколько суток. Обычно результат получают с точностью 1% от определяемого возраста.
Значение радиоуглеродного датирования особенно возрастает в случае отсутствия каких-либо исторических данных. В Европе, Африке и Азии ранние следы первобытного человека выходят за пределы времени, поддающегося радиоуглеродному датированию, т.е. оказываются старше 50 000 лет. Однако в рамки радиоуглеродного датирования попадают начальные этапы организации общества и первые постоянные поселения, а также возникновение древнейших городов и государств.
Радиоуглеродное датирование оказалось особенно успешным при разработке хронологической шкалы многих древних культур. Благодаря этому теперь возможно сравнивать ход развития культур и общества и устанавливать, какие группы людей первыми освоили те или иные орудия труда, создали новый тип поселений либо проложили новый торговый путь.
Определение возраста по радиоуглероду приобрело универсальный характер. После образования в верхних слоях атмосферы радионуклиды 14С проникают в разные среды. Воздушные потоки и турбулентность в нижних слоях атмосферы обеспечивают глобальное распространение радиоуглерода. Проходя в воздушных потоках над океаном, 14С попадает сначала в поверхностный слой воды, а затем проникает и в глубинные слои. Над материками дождь и снег приносят 14С на земную поверхность, где он постепенно накапливается в реках и озерах, а также в ледниках, где может сохраняться на протяжении тысячелетий. Изучение концентрации радиоуглерода в этих средах пополняет наши знания о кругообороте воды в Мировом океане и о климате прошлых эпох, включая последний ледниковый период. Радиоуглеродный анализ остатков деревьев, поваленных наступавшим ледником, показал, что самый последний холодный период на Земле завершился примерно 11 000 лет назад.
Растения ежегодно усваивают диоксид углерода из атмосферы в период вегетации, и изотопы 12С, 13С и 14С присутствуют в клетках растений примерно в той же пропорции, в какой они представлены в атмосфере. Атомы 12С и 13С содержатся в атмосфере в почти постоянной пропорции, но количество изотопа 14С колеблется в зависимости от интенсивности его образования. Слои годового прироста, называемые древесными кольцами, отражают эти различия. Непрерывная последовательность годовых колец одного дерева может охватывать 500 лет у дуба и более 2000 лет у секвойи и остистой сосны. В аридных горных районах на северо-западе США и в торфяных болотах Ирландии и Германии были обнаружены горизонты со стволами мертвых деревьев разных возрастов. Эти находки позволяют объединить сведения о колебаниях концентрации 14С в атмосфере на протяжении почти 10 000 лет. Правильность определения возраста образцов в ходе лабораторных исследований зависит от знания концентрации 14С во время жизни организма. Для последних 10 000 лет такие данные собраны и обычно представляются в виде калибровочной кривой, показывающей разницу между уровнем атмосферного 14С в 1950 и в прошлом. Расхождение между радиоуглеродной и калиброванной датами не превышает ± 150 лет для интервала между 1950 н.э. и 500 до н.э. Для более древних времен это расхождение увеличивается и при радиоуглеродном возрасте в 6000 лет достигает 800 лет.
Литература:
Либби В.Ф. Определение возраста по радиоуглероду. – В сб.: Изотопы в геологии. М., 1954
Ранкама К. Изотопы в геологии. М., 1956
Серебрянный Л.Р. Радиоуглеродный метод и его применение для изучения палеографии четвертичного периода. М., 1961
Старик И.Е. Ядерная геохронология. Л., 1961
Серебрянный Л.Р. Применение радиоуглеродного метода в четвертичной геологии. М., 1965
Ильвес Э.О., Лийва А.А., Пуннинг Я.-М.К. Радиоуглеродный метод и его применение в четвертичной геологии и археологии. Таллин, 1977
Арсланов Х.А. Радиоуглерод: геохимия и геохронология. Л., 1987
В последнее время на Городе развернулось множество споров, касающихся таких тем, как альтернативная история, хронология, креационизм и теория эволюции. В ходе споров постоянно всплывает тема "достоверны ли научные/общепринятые доказательства возраста того или иного артефакта, явления, события и т.п".
Поэтому предлагаю вниманию описание радиоуглеродного метода датирования, как одного из самых распространённых для определения возраста артефактов.
Радиоуглеродный метод датирования - это радиометрический метод, использующий естественное содержание изотопа углерода-14 (14 С) для определения возраста углеродсодержащих материалов. Диапазон применения - до 50 000 лет.Необработанные данные о возрасте, т.е. данные, не подвергшиеся калибровке, обычно называют радиоуглеродными годами "до настоящего времени". В качестве нулевого отсчёта, т.е. "настоящего времени", принято считать 1950 год н.э.
Радиоуглеродный метод датирования был изобретён Виллардом Либби (Willard Libby), профессором Чикогского университета и его коллегами в 1949 году. В 1960 году он получил Нобелевскую премию по химии за своё изобретение.
Суть метода заключается в том, что стабильный изотоп азота (14 N) в атмосфере подвергается действию космических лучей, превращающих его в изотоп углерода 14 C, который имеет период полураспада 5730±40 лет. Живые организмы в процессе жизнедеятельности усваивают атмосферный углерод, накапливая в свох тканях некоторое количество 14 C, который, затем, постепенно распадается (предполагается, что после гибели организма новых поступлений 14 C в ткани нет). Исследователю достаточно знать, сколько в среднем 14 C данный вид организмов накапливает за свою жизнь, и определить, сколько его осталось в тканях - на основании этих данных расчитывается возраст в радиоуглеродных годах.
Одной из первых демонстраций работоспособности и точности метода было измерение возраста древесины из захоронения древнеегипетского фараона, чей возраст был заранее известен из исторических документов.
Физика процесса
Углерод имеет 2 стабильных изотопа - 12 C (98,89%) и 13 С (1,11%). Кроме того, на Земле имеются следовые количества нестабильного изотопа 14 С (0,0000000001%). Данный изотоп имеет период полураспада около 5730 лет, и, таким образом, должен был давно исчезнуть с лица Земли. Однако постоянные потоки космических лучей, бомбардирующих атмосферу Земли, обновляют этот запас. Нейтроны, возникающие при бомбардировке космическими лучами атмосферы, вступают в ядерную реакцию с ядрами атомов азота:
n + 14 7 N → 14 6 C + p
Наибольшее количество 14 С наблюдается в атмосфере на высотах 9 — 15 км и в высоких широтах, откуда он распространяется по всей атмосфере и растворяется в океанах. Для приблизительного анализа считается, что "наработка" 14 С происходит примерно с постоянной скоростью, и содержание 14 С в атмосфере примерно постоянна (600 млрд. атомов 14 С на моль).
Полученный углерод быстро окисляется до 14 СО 2 и в дальнейшем усваивается растениями и микроорганизмами, поступая в дальнейшем в пищевую цепь других организмов. Таким образом, каждый живой организм постоянно получает определённое количество 14 С в течение всей жизни. Как только он погибает, такой обмен прекращается, и накопленный 14 С постепенно распадается в реакции бета-распада:
14 6 C → 14 7 N + e - +v e
Испуская электрон и антинейтрино, 14 С превращается в стабильный азот.
В 1958 году Хессел де Врайс (Hessel de Vries) доказал, что концентрация 14 С в атмосфере может сильно изменяться как в разное время, так и в разных местах. Для более точных измерений эти изменения учитываются в виде калибровочных кривых. На приведённом рисунке приводится динамика изменения концентрации 14 СО2 в атмосфере над Австралией и Новой Зеландией — значительный всплеск обусловлен многочисленными применениями ядерного оружия в атмосфере.
Кроме того, известно, что морские организмы могут получать углерод из растворённых в воде карбонатов, возраст которых может быть весьма значительным — в силу этого в них может наблюдаться "дефицит" изотопа 14 С, что делает радиоуглеродный метод гораздо менее надёжным для данного вида материалов.
Вычисление возрастаРаспад 14 С подчиняется экпоненциальному закону. Другими словами, количество атомов, подвергающихся распаду за определённый период, зависит от исходного количества атомов в начале этого периода. Количество оставшихся атомов С после того, как пройдёт время t , будет выражаться формулой:
С = С 0 е -t / T
где С 0 - исходное количество атомов, T — среднее время распада = t 1/2 (время полураспада) * ln2 , e — основание натурального логарифма.
Таким образом, радиоуглеродный возраст t РВ (без поправки на флуктуации количества 14 С) будет выражаться формулой:
t РВ = -t 1/2 * log 2 (C / C 0 )
Измерения и шкалы
Традиционные методы
подсчёта оставшегося в образцах материала 14 С основаны на подсчёте количества всё ещё распадающихся атомов (методы газовой и жидкостной
сцинтилляции, основанные на прямом подсчёте "вспышек", порождаемых распадами отдельных атомов 14 C в специальных сцинтилляционных камерах, оборудованных датчиками), но они малочувствительны и могут приводить к большим погрешностям при исследовании малых образцов (менее 1 грамма углерода). Так, например, в образце возраста 10 000 лет среднее число распадов будет 4 атома/секунду в одном моле углерода (примерно 30-40 грамм для древесины), что либо слишком мало для получения надёжной статистики, либо требует слишком большого времени (что также может привести к накоплению ошибки за счёт посторонних сцинтилляций)
.
Изотопная масс-спектрометрия
в последние годы стала основным инструментом для проведения радиоуглеродного датирования. Данный метод основывается на том, что атомы разных изотопов (и веществ, сосоящих из них) имеют разную массу. Образцы вещества окисляются до образования углекислого газа (остальные оксиды удаляются), затем полученный газ ионизируется и на высокой скорости проходит через магнитную камеру, где заряженные молекулы отклоняются от исходной траектории. Чем больше отклонение - тем легче молекула, и тем меньше в ней 14 С. Подсчитав соотношение слабо отклонившихся и сильно отклонившихся молекул, можно определить, какова концентрация 14 С в образце с высокой точностью. Этот метод позволяет датировать образцы с массой всего несколько миллиграммов в диапазоне до 60 000 лет (данные 2005 года).
Калибровка
Как было неоднократно сказано, данный метод существенным образом зависит от предположения, что содержание 14 С в атмосфере примерно постоянно. Однако на практике это не так. Уровень 14 С зависит от многих факторов. В первую очередь, от интенсивности космического излучения, которая изменяется в зависимости от изменений магнитного поля Земли, на которое, в свою очередь, действуют вспышки на Солнце. Кроме того, баланс 14 C может нарушаться вследствие крупных выбросов в атмосферу углерода из океана (газовый конденсат), вулканической и иной деятельности. Изменения климата и деятельность человечества также могут нарушать данный баланс.
Основными способами калибровки метода, то есть расчёта баланса 14 С в требуемый период, являются сравнения результатов радиоуглеродного метода с другими независимыми методами — дендрохронологией, исследованиями кернов древнего льда, донных отложений, образцов древних кораллов, пещерных отложений и натёков.
На графике калибровки представлена зависимость радиоуглеродного возраста образцов от их возраста, расчитанного по совокупности других методик. Современная (по данным 2004 года) точность калибровки составляет ±16 лет для возрастов до 6 000 лет и не более ±160 лет для возрастов до 26 000 лет.
Таким образом, современный радиоуглеродный метод датирования является достаточно точным для приблизительной оценки возраста образцов, особенно в исторический период развития цивилизации (4000 лет до н.э.) Однако многочисленные ошибки отсутствия или неверной калибровки , устаревшие методы подсчёта количества изотопа 14 С, и, как следствие, имевшие место "подгонки под ответ" дали богатую почву для сомнений в правомерности датирования этим методом .Однако сейчас (опять же, с известной оговоркой) этот метод можно признать надёжным , тем более, что в мире имеется около 130 независимых лабораторий, выполняющих данное исследование, и постоянно ведутся работы по улучшению калибровки.
Литература
- Arnold, J. R. and Libby, W. F. (1949) Age Determinations by Radiocarbon Content: Checks with Samples of Known Age , Science 110, 678-680.
- Libby, W.F. Radiocarbon dating , 2nd Edition, Chicago, University of Chicago Press, 1955.
- C. Crowe, Carbon-14 activity during the past 5000 years , Nature , 182, (1958): 470 + опровержения в том же номере: а) K. O. Münnich, H. G. Östlund, and H. de Vries, Nature , 182, (1958): 1432 и б) H. Barker, Nature , 182, (1958): 1433 - в обеих даются доказательства широких изменений уровня 14 С и, соответственно, приводятся расчёты, дающие гораздо меньшие возраста для образцов, представленных C. Crowe.
- de Vries, H. L. (1958). Variation in Concentration of Radiocarbon with Time and Location on Earth, Proceedings Koninlijke Nederlandse Akademie Wetenschappen B, 61: 94-102; and in Researches in Geochemistry, P. H. Abelson (Ed.) (1959) Wiley, New York, p. 180
- Aitken, M. J. Physics and Archaeology , New York, Interscience Publishers, 1961.
- Libby, W.F. Radiocarbon; an Atomic Clock , Annual Science and Humanity journal, 1962.
- Kovar, A. J. (1966)
