Критика радиоуглеродного метода датирования. Радиоуглеродное датирование

Радиоуглеродный (РУ) метод датирования был изобретён американским химиком Уилардом Либби в 1946 году, в 1960 году Либби стал Нобелевским лауреатом по химии за обоснование этого метода и его применение. РУ-метод заключается в измерении процентного содержания радиоактивного изотопа углерода С14 в органике и расчётах возраста органики на этом основании. Изначально идея Либби опиралась на следующие

гипотезы:

1. С14 образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей, затем перемешивается в атмосфере, входя в состав углекислого газа. Предполагалось, что процентное содержание С14 в атмосфере является постоянным и не зависит от времени и места, несмотря на неоднородность самой атмосферы и распад изотопов.
2. Скорость радиоактивного распада является постоянной величиной, измеряемой периодом полураспада в 5568 лет (предполагается, что за это время половина изотопов С14 превращается в С12).
3. Животные и растительные организмы строят свои тела из углекислоты, добываемой из атмосферы, и при этом живые клетки содержат тот же процент изотопа С14, что находится в атмосфере.
4. По смерти организма, его клетки выходят из цикла углеродного обмена, поэтому изотопы углерода С14 по экспоненциальному закону радиоактивного распада превращаются в стабильный изотоп С12. Что и позволяет расчитать время, прошедшее со времени смерти организма. Это время называется «радиоуглеродным возрастом».

У этой теории, по мере накопления материала, стали появляться контрпримеры: недавно умершие организмы внезапно получались очень древними, или напротив - могли содержали столь огромное количество изотопа, что получали отрицательный РУ-возраст. Некоторые заведомо древние предметы имели молодой РУ-возраст (такие артефакты объявлялись поздними подделками). В итоге оказалось, что РУ-возраст далеко не всегда совпадает с истинным возрастом, в том случае, когда истинный возраст можно проверить. Но РУ-метод применяется в основном для датирования органических предметов неизвестного возраста, тем самым эти даты могут и не иметь независимой проверки. Получаемые парадоксы можно объяснить следующими недостатками теории Либби (эти и иные факторы проанализированы в книге М.М. Постникова «Критическое исследование хронологии древнего мира, в 3-х томах»,- М.: Крафт+Леан, 2000, в томе 1, стр. 311-318, написанной в 1978 году):

1) Непостоянство, неравномерность процентного содержания С14 в атмосфере, его неоднородное распределение. Содержание С14 зависит от космического фактора (интенсивность солнечного излучения) и земного (поступление в атмосферу «старого» углерода из-за горения или гниения древней органики, возникновения новых источников радиоактивности, колебаний магнитного поля Земли). Изменение этого параметра на 20% влечёт ошибку в РУ-возрасте почти в 2 тысячи лет.
2) Скорость радиоактивного распада изотопов не является постоянной, - действительно, со времён Либби период полураспада С14 по официальным справочникам «изменился» на сотню лет, то есть,- на пару процентов (этому соответствует изменение РУ-возраста на полторы сотни лет). По всей видимости, значение этого периода значительно (в пределах нескольких процентов) зависит от экспериментов, в которых он определяется. А, возможно, зависит от каких-то внешних условий, полей и сил.
3) Изотопы углерода не являются вполне химически эквивалентными, и поэтому клеточные мембраны могут использовать их избирательно: некоторые абсорбировать С14, некоторые - наоборот, избегать его. Поскольку процентное содержание С14 ничтожно (один атом С14 к 10 миллиардам атомов С12), даже незначительная избирательность клетки в изотопном отношении повлечёт большое изменение РУ-возраста (колебание на 10% приводит к ошибке примерно 600 лет).
4) По смерти организма, его ткани не выходят из углеродного обмена, участвуя в процессах гниения и диффузии.

Со времени Либби физики-радиоуглеродчики научились очень точно определять содержание изотопа в образце, заявляют даже, что они способны пересчитать отдельные атомы изотопа. Разумеется, такой подсчёт возможен только для небольшого образца органической ткани, но в этом случае возникает вопрос - насколько точно этот небольшой образец представляет весь предмет? Насколько однородно содержание изотопа в нём? Ведь ошибки в несколько процентов приводят с столетним изменениям РУ-возраста.

Калибровочная шкала С14.

Признав существенное непостоянство содержание С14 в атмосфере, физики-радиоуглеродчики примерно с 70-х годов стали строить, т.н. «калибровочные шкалы» изотопа С14: по распределению изотопа в кольцах долгоживущих деревьев (американских секвой тысячелетнего возраста) было экстраполировано содержание изотопа в атмосфере за последние несколько тысяч лет. Такая шкала имеет определённый смысл для того региона, где она составлялась, но перенос её в другие регионы, на другие континенты является малообоснованным, и, скорее всего, ошибочным.
Попытки построения аналогичных шкал по короткоживущим деревьям Европы порождает иную проблему: РУ-шкала оказывается привязанной к дендрошкале региона, составленной, как указано выше, ещё менее надёжно. В итоге получается, что РУ-шкалу привязывают к произвольной и ошибочной дендрошкале, а последнюю обосновывают ссылкой на согласие с РУ-шкалой: и слепой ведёт слепого. Такого рода аргументы любят повторять российские археологи из школы Колчина.
Калибровочная шкала С14 испытывает значительную вариацию своих значений. Это привело к тому, что теперь для определения РУ-возраста радиоуглеродчикам необходимо знать интервал поиска необходимой даты, поскольку нужные значения содержания изотопа теперь могут располагаться во всех исторических тысячелетиях. Этот интервал берётся из априорных указаний традиционных историков: историки указывают подозрительный век - радиоуглеродчики выдают историкам «точную» дату, в других веках даты были бы иными. Процесс получения иных датировок на том же материале проиллюстрировал А.М. Тюрин <2>.

Все эти новшества РУ-метода пытаются снять влияние фактора 1), из предыдущих, а прочие - учёту не поддаются. В итоге, получается так, что радиоуглеродные датировки являются не более надёжными или научными, чем датировка «на глазок», по «стилю эпохи», но они используются для создания впечатления о научности традиционной хронологии, созданной средневековыми астрологами и богословами. Иной раз от историков приходится слышать даже заявления о том, что РУ-методом датированы античные монеты! Но даже если бы эти монеты были чугунными и содержали бы достаточное количество углерода, то РУ-датирование должно было бы показать не время изготовления монеты, а возраст руды (многие сотни тысяч лет). Следует думать, что многие ссылки на РУ-датирование являются таким же обманом научного мира.

Литература
1. Постников М.М. «Критическое исследование хронологии древнего мира, в 3-х томах, 1978 года»,- М.: Крафт+Леан, 2000, том 1, стр. 311-318.
2. Статьи А.М. Тюрина в Альманахе НХ №3:

Одним из основных химических элементов круговорота веществ в биосфере Земли является углерод, который встречается в виде трех изотопов – 12 С, 13 С, 14 С. В атмосфере углерод присутствует в основном в виде углекислого газа (есть и другие соединения, но их уровень незначителен). Львиная доля углерода приходится на изотоп 12 С. На изотоп 13 С приходится примерно 0,1%, а доля 14 С – 1,18 . 10 -12 .

14 N + n → 14 C + p +

Из атмосферного воздуха изотоп 14 С в процессе обмена веществ попадает в биосферу Земли. При этом основным каналом поступления 14 С в живые организмы является фотосинтез растений, а далее – по пищевой цепочке – он попадает в организм животных и человека. Через биосферу и непосредственно из атмосферы (хотя и менее интенсивно) 14 С попадает в почву и воду океанов.

Если изотопы 12 С и 13 С являются устойчивыми, то 14 С радиоактивен и с течением времени распадается по реакции:

14 С → 14 N + e – + n

Данная реакция (как и другие реакции радиоактивного распада) характеризуется следующей зависимостью:

А/А 0 = 2 – t / T

где А 0 – концентрация 14 С в некотором образце в начальный момент времени; А – концентрация 14 С в момент времени t; Т – период полураспада, равный для радиоуглерода величине 5730±40 лет.

Именно это свойство нестабильности и «склонности» к распаду и используется в радиоуглеродных методах датирования. Если известно начальное содержание 14 С в образце, то, измерив его содержание в текущий момент времени, по вышеприведенной зависимости можно определить возраст образца.

Рис. 124. Кривая радиоактивного распада

Если известно…

Вот тут-то мы и сталкиваемся с первой серьезной проблемой. Дело в том, что вышеприведенная зависимость представляет собой уравнение, в котором помимо периода полураспада реально известна (точнее – ее можно измерить) только текущая концентрация радиоуглерода. То есть мы имеем одно уравнение с двумя неизвестными. А такое уравнение имеет бесконечное число решений…

И это – уже только в теории. На практике же для возможности корректного определения возраста образца, необходимо выполнить целый ряд дополнительных требований. Все же в целом можно свести к трем важным условиям.

Во-первых, должна быть сведена к минимуму ошибка в определении текущей концентрации 14 С в исследуемом образце.

Во-вторых, необходимо знать начальную концентрацию 14 С в образце.

И в-третьих, нужно быть уверенным, что за период, прошедший с начального момента времени, с образцом не происходило процессов, которые могли бы привести к изменению содержания 14 С в образце, помимо процесса радиоактивного распада. Либо быть уверенным, что существующие методы учета влияния таких процессов в достаточной степени корректны.

Проще всего оказалось решить первую задачу. В настоящее время масс-спектрометрические методы позволяют определять содержание 14 С в очень малых образцах (достаточно лишь 10 микрограмм углерода) с высокой степенью точности. Помимо этого успешно применяются методы очистки образцов и углеродного обогащения. Для минимизации ошибок в этих методах используются измерения на контрольных образцах, которые позволяют корректно учесть возможные изменения концентрации 14 С в исследуемых образцах в процессе соответствующих лабораторных процедур.

Несколько сложнее дело обстоит с третьей задачей (чуть нарушим порядок), то есть с задачей учета предыстории образца. Дело в том, что метод радиоуглеродного датирования базируется на предположении, согласно которому смерть живого организма (растения, животного, человека) означает его выход из активного процесса обмена веществ, в процессе которого непрерывно пополняется его «запас» 14 С. Но ведь на самом деле процесс обмена веществ со смертью организма не прекращается: бренные останки в той или иной степени подвержены влиянию со стороны внешней среды, – а следовательно, возможно и нарушение соотношения между содержанием разных изотопов углерода в этих бренных останках.

Здесь был найден «обходной вариант» – задействован метод выделения специфичного для образца соединения (белки, аминокислоты, целлюлоза, хитин и т.п.), минимально подверженного внешним воздействиям в процессе разложения бренных останков...

Рис. 125. Годичные кольца у сосны

Необходимость же знания начальной концентрации 14 С послужила мощным стимулом к решению другой задачи радиоуглеродного метода – определение содержания 14 С в атмосфере в прошлом. И здесь роль «палочки-выручалочки» выпала на дендрохронологию – метод, основанный на исследовании колец деревьев.

Исследователи пришли к выводу, что изотопное соотношение 14 С/ 12 С в растениях довольно точно соответствует этому отношению в атмосфере. В частности, внешнее кольцо деревьев как бы «фотографирует» содержание радиоуглерода в атмосфере в год образования этого кольца. А поскольку ранее уже были выстроены довольно длинные дендрошкалы (отражающие зависимость ширины колец от времени), радиоуглеродное исследование колец деревьев позволило создать картину изменений содержания 14 С в атмосфере Земли в прошлом.

Рис. 126. Изменение содержания радиоуглерода в атмосфере

Честно говоря, в справедливости данного утверждения у меня остались серьезные сомнения... Дело в том, что трудно представить реальное живое дерево, ствол которого представляет собой набор абсолютно изолированных друг от друга цилиндрических годовых слоев без какого-либо обмена между слоями. Более того, ведь и внутренние слои продолжают жить, участвуя в процессе обмена веществ в дереве. В частности, по внутренним слоям ежегодно прокачиваются «соки» (жидкая фаза) растения. По всем логическим соображениям, это должно влиять на содержание радиоуглерода и в твердой составляющей древесины, поскольку снизу, из почвы, поступает раствор, обедненный 14 С; а от листьев – обогащенный свежим 14 С, поглощенным из атмосферы уже не в год образования кольца, а позже. И строго говоря, для корректного определения концентрации радиоуглерода именно в год формирования кольца необходимо знать баланс этих потоков.

К сожалению, в многочисленных доступных источниках (а мне пришлось в поисках различных данных «прочесать» более тысячи сайтов на различных языках) данный вопрос, если и затрагивается, то обсуждается лишь «на пальцах» без подкрепления какими-либо эмпирическими данными. А ведь общий вид приведенной на Рис. 126 кривой, с возрастанием концентрации радиоуглерода при удалении вглубь времени, вполне может иметь и иное объяснение, нежели изменение содержания 14 С в самой атмосфере – если в результате баланса упомянутых потоков внутренние слои все-таки получают свежий радиоуглерод, то он, естественно, будет повышать общую концентрацию 14 С в них, «омолаживая» их и создавая иллюзию более высокого содержания радиоуглерода в прошлом.

Но, увы, я здесь вынужден тоже лишь «рассуждать на пальцах»... Поэтому в данном случае остается только принять утверждение об абсолютной изолированности внутренних слоев от атмосферного радиоуглерода в качестве рабочей гипотезы и двинуться далее...

На основании данных об изменении во времени содержания 14 С в атмосфере для практических целей сформированы так называемые калибровочные (поправочные) кривые, позволяющие переводить возраст образцов, определенный радиоуглеродным методом (радиоуглеродный возраст), в действительный возраст.

Рис. 127. Калибровочная кривая

Таким образом, в нынешней практике исследователь: тщательно очищает образец; выделяет из него специфическую (наиболее устойчивую по 14 С) фракцию; измеряет содержание в ней 14 С (в сравнении с 12 С); корректирует данное значение 14 С на поправочный коэффициент, учитывающий (по контрольным образцам) возможные искажения, возникающие в ходе лабораторных процедур; вычисляет радиоуглеродный возраст образца; и, наконец, с помощью калибровочной кривой переводит радиоуглеродный возраст в «истинный».

Я опускаю здесь еще одну процедуру – поправку на изотопное фракционирование, о котором речь пойдет дальше. И на этом закончу краткое описание современного состояния метода радиоуглеродного датирования, составленное по многочисленной литературе, имеющейся сейчас в печатном и электронном виде.

Перейдем к тому, что предпочитают не афишировать сторонники радиоуглеродного датирования, а именно – к «подводным камням» метода и его реальным погрешностям.

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

1. Godwin, H. (1962). “Half-life of radiocarbon”. Nature . 195 (4845): 984. Bibcode :

Радиоуглеродный анализ изменил наше представление о последних 50.000 лет. Профессор Уиллард Либби впервые продемонстрировал его в 1949 году, за что позже был удостоен Нобелевской премии.

Метод датировки

Суть радиоуглеродного анализа состоит в сравнении трех различных изотопов углерода. Изотопы конкретного элемента имеют одинаковое число протонов в ядре, но разное число нейтронов. Это означает, что при большой химической схожести они обладают разными массами.

Общая масса изотопа обозначается числовым индексом. В то время как более легкие изотопы 12 С и 13 С стабильны, самый тяжелый изотоп 14 C (радиоуглерод) радиоактивен. Его ядро ​​настолько велико, что оно является нестабильным.

С течением времени 14 C - основа радиоуглеродного анализа - распадается на азот 14 N. Большая часть углерода-14 создается в верхних слоях атмосферы, где нейтроны, которые образуются под действием космических лучей, вступают в реакцию с атомами 14 N.

Затем он окисляется в 14 СО 2 , проникает в атмосферу и смешивается с 12 CO 2 и 13 CO 2 . Углекислый газ используется растениями в процессе фотосинтеза, а оттуда проходит через пищевую цепь. Поэтому всякое растение и животное в этой цепи (включая людей) будет иметь равное количество 14 С по сравнению с 12 С в атмосфере (отношение 14 С: 12 С).

Ограничения метода

Когда живые существа умирают, ткань больше не заменяется, а радиоактивный распад 14 C становится явным. Через 55 тысяч лет 14 C распадается настолько, что его остатки уже невозможно измерить.

Что такое радиоуглеродный анализ? может быть использован в качестве «часов», так как он не зависит от физических (например, температуры) и химических (например, содержания воды) условий. За 5730 лет распадается половина 14 C, содержащаяся в образце.

Поэтому, если известно соотношение 14 C: 12 C в момент смерти и сегодняшнее соотношение, то можно вычислить, сколько времени прошло. К сожалению, определить их не так просто.

Радиоуглеродный анализ: погрешность

Количество 14 С в атмосфере, следовательно, в растениях и животных, не всегда было постоянным. Например, оно варьируется в зависимости от того, сколько космических лучей достигает Земли. Это зависит от солнечной активности и магнитного поля нашей планеты.

К счастью, можно измерить эти колебания в образцах, датированных другими методами. Можно подсчитать годичные кольца деревьев и изменение в них содержания радиоуглерода. Из этих данных можно построить «калибровочную кривую».

В настоящее время ведутся работы по ее расширению и совершенствованию. В 2008 году можно было откалибровать только радиоуглеродные даты до 26000 лет. Сегодня кривая расширена до 50000 лет.

Что можно измерить?

Не все материалы могут быть датированы этим методом. Большинство, если не все, органических соединений позволяют проводить радиоуглеродный анализ. Некоторые неорганические вещества, такие как арагонитовая составляющая раковин, также могут быть датированы, так как при образовании минерала использовался углерод-14.

Материалы, которые были датированы с момента создания метода, включают дерево, ветки, семена, кости, раковины, кожу, торф, ил, почву, волосы, керамику, пыльцу, настенные рисунки, кораллы, остатки крови, ткани, бумагу, пергамент, смолы и воду.

Радиоуглеродный невозможен, если в нем не содержится углерод-14. Исключение составляют изделия из железа, при изготовлении которых используется уголь.

Двойной счет

Из-за этого осложнения радиоуглеродные даты представлены двояко. Некалиброванные замеры подаются числом лет до 1950 года (BP). Калиброванные даты также представлены как до н. э., так и после, а также с помощью единицы calBP (калиброванная до настоящего времени, до 1950 года). Это «наилучшая оценка» фактического возраста образца, но необходимо иметь возможность вернуться к старым данным и откалибровать их, поскольку новые исследования постоянно обновляют калибровочную кривую.

Количество и качество

Вторая трудность состоит в крайне низкой распространенности 14 С. Только 0,0000000001% углерода в современной атмосфере представляет собой 14 C, что причиняет невероятные сложности для измерений и делает его чрезвычайно чувствительным к загрязнениям.

В первые годы радиоуглеродный анализ продуктов распада требовал огромных образцов (например, половины бедренной кости человека). Многие лаборатории теперь используют масс-спектрометр с ускорителем (AMS), который может обнаруживать и измерять присутствие различных изотопов, а также подсчитать количество отдельных атомов углерода-14.

Этот метод требует менее 1 г костной ткани, но лишь немногие страны могут позволить себе больше, чем один или два AMS, стоимость которых превышает 500 тыс. $. Например, Австралия имеет лишь 2 таких прибора, которые способны производить радиоуглеродный анализ, и они недостижимы для большей части развивающегося мира.

Чистота - залог точности

Кроме того, образцы должны быть тщательно очищены от загрязнений углерода из клея и почвы. Это особенно важно для очень старых материалов. Если 1 % элемента в пробе возрастом 50 тыс. лет будет происходить из современного загрязнителя, она будет датирована как сорокатысячелетняя.

По этой причине исследователи постоянно разрабатывают новые методы эффективной очистки материалов. Они могут оказать существенное влияние на результат, который дает радиоуглеродный анализ. Точность метода существенно возросла с развитием нового способа очистки активированным углем ABOx-SC. Это позволило, например, отдалить дату прибытия первых людей в Австралию более чем на 10 тыс. лет.

Радиоуглеродный анализ: критика

Метод, доказывающий, что с момента возникновения Земли прошло гораздо больше 10 тыс. лет, упомянутых в Библии, неоднократно подвергался критике креационистов. Например, они утверждают, что за 50 тыс. лет в образцах не должно остаться углерода-14, но в угле, нефти и природном газе, возраст которых, предположительно составляет миллионы лет, содержатся измеримые количества этого изотопа, что подтверждает радиоуглеродный анализ. при этом больше фоновой радиации, от которой невозможно избавиться в лаборатории. Т. е. образец, в котором не содержится ни одного атома радиоактивного углерода, покажет дату в 50 тыс. лет. Однако этот факт не ставит под сомнение датировку объектов и тем более не свидетельствует о том, что нефть, уголь и природный газ моложе этого возраста.

Также креационисты отмечают некоторые странности радиоуглеродного анализа. Например, датировка пресноводных моллюсков определила их возраст, как превышающий 2000 лет, что, по их мнению, дискредитирует данный метод. На самом деле установлено, что моллюски получают большую часть углерода из известняка и гумуса, содержание 14 C в которых очень низкое, так как эти минералы очень старые и не имеют доступа к углероду воздуха. Радиоуглеродный анализ, точность которого в этом случае можно подвергнуть сомнению, в остальном соответствует действительности. Древесина, например, такой проблемы не имеет, т. к. растения получают углерод прямо из воздуха, который содержит полную дозу 14 C.

Другим аргументом, направленным против метода, является тот факт, что деревья способны образовывать за один год более одного кольца. Это действительно так, но чаще случается так, что они вообще не формируют годичных колец. Остистая сосна, на основе которой проведено большинство измерений, имеет на 5 % колец меньше, чем ее фактический возраст.

Установление даты

Радиоуглеродный анализ - это не только метод, но и захватывающие открытия в нашем прошлом и настоящем. Метод позволил археологам расположить находки в хронологическом порядке без необходимости наличия письменных записей или монет.

В 19 и начале 20 века невероятно терпеливые и осторожные археологи связывали керамику и каменные орудия различных географических районов путем поиска сходства в форме и узорах. Затем, используя идею о том, что стили объектов эволюционировали и становились все более сложными с течением времени, они могли их разместить по порядку.

Таким образом, большие купольные гробницы (известный как толосы) в Греции считались предшественниками подобных структуры на шотландском острове Мейсхау. Это поддерживало идею о том, что классические цивилизации Греции и Рима были в центре всех инноваций.

Однако в результате проведения радиоуглеродных анализов выяснилось, что шотландские гробницы были на тысячи лет старше, чем греческие. Северные варвары были способны проектировать сложные структуры, аналогичные классическим.

Другими известными проектами было отнесение Туринской плащаницы к средневековому периоду, датировка свитков Мертвого моря временем Христа, и несколько спорная периодизация рисунков в возрастом 38 000 calBP (около 32 000 ВР), на тысячи лет раньше, чем ожидалось.

Радиоуглеродный анализ также применялся при определении времени вымирания мамонтов и внес свой вклад в споры по поводу того, встречались ли современные люди и неандертальцы или нет.

Изотоп 14 С используется не только для определения возраста. Метод радиоуглеродного анализа позволяет исследовать циркуляцию океана и проследить движение лекарств по всему телу, но это тема другой статьи.

РАДИОУГЛЕРОДНОЕ ДАТИРОВАНИЕ
метод датирования органических материалов путем измерения содержания радиоактивного изотопа углерода 14С. Этот метод широко применяется в археологии и науках о Земле.
См. также
ИЗОТОПЫ ;
РАДИОАКТИВНОСТЬ .
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
(см. также СПЕКТРОСКОПИЯ ; УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ).
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 РАДИОУГЛЕРОДНОЕ ДАТИРОВАНИЕ40 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.
См. также
АРХЕОЛОГИЯ ;
УГЛЕРОД .

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .