06/26/2009 | igorg

http://nnm.ru/blogs/argamak2/radiouglerodnyy_metod/#cut
Радиоуглеродный метод

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".

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:
картинка

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