Метод радиоуглеродного датирования. Радиоуглеродный метод определения возраста
May 12th, 2013
Все, что дошло до нас от язычества, окутано густым туманом; оно принадлежит к тому промежутку бремени, который мы не в силах измерить. Мы знаем, что оно древнее христианства, но на два года, на двести лет или на целое тысячелетие – здесь мы можем только гадать. Расмус Ниерап, 1806.
Многие из нас запуганы наукой. Радиоуглеродная датировка как один из результатов развития ядерной физики является примером такого феномена. Этот метод имеет важное значение для разных и независимых научных дисциплип, таких, как гидрология, геология, наука об атмосфере и археология. Однако мы оставляем понимание принципов радиоуглеродной датировки научным специалистам и слепо соглашаемся с их выводами из уважения к точности их оборудования и восхищения их интеллектом.
На самом деле принципы радиоуглеродной датировки поразительно просты и легкодоступны. Более того, представление о радиоуглеродной датировке как о «точной науке» является ошибочным, и, по правде говоря, лишь немногие ученые придерживаются такого мнения. Проблема в том, что представители многих дисциплин, пользующиеся радиоуглеродной датировкой в хронологических целях, не понимают ее природы и назначения. Давайте разберемся в этом.
Принципы радиоуглеродной датировки
Уильям Фрэнк Либби и члены его команды разработали принципы радиоуглеродной датировки в 1950-е годы. К 1960 году их работа была завершена, и в декабре этого года Либби был номинирован на Нобелевскую премию по химии. Один из ученых, участвовавших в его выдвижении, отметил:
«Редко случалось так, что одно открытие в области химии оказывало такое влияние на разные области человеческих знаний. Очень редко отдельное открытие привлекало столь широкий интерес».
Либби обнаружил, что нестабильный радиоактивный изотоп углерода (С 14) с предсказуемой скоростью распадается на стабильные изотопы углерода (С12 и С13). Все три изотопа встречаются в атмофере в естественном виде в следующих пропорциях; С12 – 98,89%, С13 – 1,11% и С14 – 0,00000000010%.
Стабильные изотопы углерода С12 и С13 образовались вместе со всеми остальными атомами, из которых состоит наша планета, то есть очень и очень давно. Изотоп С14 образуется в микроскопических количествах в результате еже- , дневной бобмардировки солнечной атмосферы космическими лучами. При соударении с определенными атомами космические лучи разрушают их, в результате чего нейтроны этих атомов переходят в свободное состояние в земной атмосфере.
Изотоп С14 образуется, когда один из таких свободных нейтронов сливается с ядром атома азота. Таким образом, радиоуглерод представляет собой «изотоп Франкенштейна», сплав разных химических элементов. Затем атомы С14, которые образуются с постоянной скоростью, подвергаются окислению и проникают в биосферу в процессе фотосинтеза и естественной цепочки питания.
В организмах всех живых существ отношение изотопов С12 и С14 равно атмосферному отношению этих изотопов в их географическом регионе и поддерживается скоростью их метаболизма. Однако после смерти организмы перестают накапливать углерод, и поведение изотопа С14 с этого момента становится интересным. Либби установил, что период полураспада С14 составляет 5568 лет; еще через 5568 лет распадается половина оставшихся атомов изотопа.
Таким образом, поскольку первоначальное отношение изотопов С12 и С14 является геологической постоянной, возраст образца можно определить, измерив количество остаточного изотопа С14. К примеру, если в образце присутствует некоторое первоначальное количество С14, значит, дата смерти организма определяется двумя периодами полураспада (5568 + 5568), что соответствует возрасту 10 146 лет.
В этом заключается основной принцип радиоуглеродной датировки как инструмента археологии. Радиоуглерод абсорбируется в биосфере; он прекращает накапливаться со смертью организма и распадается с определенной скоростью, которую можно измерить.
Иными словами, соотношение С 14 /С 12 постепенно падает. Таким образом мы получаем «часы», которые начинают идти с момента смерти живого существа. Очевидно, что эти часы действуют только для мертвых тел, которые когда-то были живыми существами. Например, их нельзя использовать для определения возраста вулканических пород.
Скорость распада С 14 такова, что половина этого вещества превращается обратно в N 14 в течение 5730±40 лет. Это и есть так называемый «период полураспада». За два периода полураспада, то есть за 11460 лет, останется только четверть изначального количества. Таким образом, если соотношение С 14 /С 12 в образце составляет четверть от соотношения в современных живых организмах, теоретически этот образец имеет возраст 11460 лет. Возраст же предметов старше 50 000 лет с помощью радиоуглеродного метода определить теоретически невозможно. Поэтому радиоуглеродное датирование не может показать возраст в миллионы лет. Если проба содержит С 14 , это уже свидетельствует о том, что ее возраст меньше миллионов лет.
Однако все не так просто. Во-первых, растения хуже усваивают углекислый газ, содержащий С 14 . Следовательно, они накапливают его меньше ожидаемого и поэтому при тестировании кажутся старше, чем есть на самом деле. Более того, различные растения по-разному усваивают С 14 , и на это тоже следует делать поправку. 2
Во-вторых, соотношение С 14 /С 12 в атмосфере не всегда было постоянным – например, оно снизилось с наступлением индустриальной эпохи, когда вследствие сжигания огромных количеств органического топлива высвободилась масса углекислого газа, обедненного С 14 . Соответственно, организмы, умершие в этот период, в рамках радиоуглеродного датирования кажутся старше. Затем произошло увеличение содержания С 14 О 2 , связанное с наземными ядерными испытаниями 1950-х годов, 3 вследствие чего организмы, умершие в этот период, стали казаться моложе, чем были на самом деле.
Измерения содержания С 14 в объектах, чей возраст точно установлен историками (например, зерно в гробницах с указанием даты захоронения) позволяют оценить уровень С 14 в атмосфере того времени и, таким образом, частично «подправить ход» радиоуглеродных «часов». Соответственно, радиоуглеродное датирование, проведенное с учетом исторических данных, может дать весьма плодотворные результаты. Однако даже с такой «исторической настройкой» археологи не считают даты, полученные радиоуглеродным методом, абсолютным – из-за частых аномалий. Они больше полагаются на методы датирования, связанные с историческими летописями.
За пределами исторических данных «настройка» «часов» С 14 не представляется возможной
В лаборатории
С учетом всех этих неопровержимых фактов крайне странно видеть в журнале «Радиоуглерод» (где публикуются результаты радиоуглеродных исследований по всему миру) следующее утверждение:
«Шесть уважаемых лабораторий выполнили 18 анализов возраста древесины из Шелфорда в графстве Чешир. Оценки варьируют от 26 200 до 60 000 лет (до настоящего времени), разброс составляет 34 600 лет».
Вот еще один факт: хотя теория радиоуглеродной датировки звучит убедительно, когда ее принципы применяются к лабораторным образцам, в игру вступает человеческий фактор. Это приводит к ошибкам, порой очень значительным. Кроме того, лабораторные образцы загрязняются фоновым излучением, изменяющим остаточный уровень С14, который подвергается измерению.
Как указал Ренфрю в 1973-м и Тейлор в 1986 году, метод радиоуглеродной датировки опирается на ряд необоснованных предположений, сделанных Либби во время разработки его теории. К примеру, в последние годы было много дискуссий о периоде полураспада С14, якобы составляющем 5568 лет. В наши дни большинство ученых сходится на том, что Либби ошибался и что период полураспада С14 на самом деле составляет примерно 5730 лет, Расхождение в 162 года приобретает большое значение при датировке образцов тысячелетней давности.
Но вместе с Нобелевской премией по химии к Либби пришла полная уверенность в его новой системе. Его радиоуглеродные датировки археологических образцов из Древнего Египта уже были датированы, поскольку древние египтяне тщательно следили за своей хронологией. К сожалению, радиоуглеродный анализ давал слишком заниженный возраст, в некоторых случаях на 800 лет меньше, чем по данным исторической летописи. Но Либби пришел к поразительному выводу:
«Распределение данных показывает, что древнеегипетские исторические датировки до начала второго тысячелетия до нашей эры слишком завышены и, возможно, превышают истинные на 500 лет в начале третьего тысячелетия до нашей эры».
Это классический случай научного самомнения и слепой, почти религиозной веры в превосходство научных методов над археологическими. Либби ошибался, радиоуглеродный метод подвел его. Теперь эта проблема решена, но самопровозглашенная репутация метода радиоуглеродной датировки по-прежнему превышает уровень его надежности.
Мои исследования показывают, что с радиоуглеродной датировкой связаны две серьезные проблемы, которые и в наши дни могут привести к большим недоразумениям. Это (1) загрязнение образцов и (2) изменение уровня С14 в атмосфере в течение геологических эпох.
Эталоны радиоуглеродного датирования. Значение эталона, принятого при расчёте радиоуглеродного возраста образца, прямо влияет на полученную величину. По результатам детального анализа опубликованной литературы установлено, что при радиоуглеродном датировании применялось несколько эталонов. Наиболее известные из них: эталон Андерсона (12,5 dpm/g), эталон Либби (15,3 dpm/g) и современный эталон (13,56 dpm/g).
Датирование ладьи фараона. Древесина ладьи фараона Sesostris III датировалась радиоуглеродным методом на основе трёх эталонов. При датировании древесины в 1949 году на основе эталона (12,5 dpm/g) получен радиоуглеродный возраст 3700 +/- 50 ВР лет. Позднее Либби датировал древесину на основе эталона (15,3 dpm/g) . Радиоуглеродный возраст не изменился. В 1955 году Либби повторно датировал древесину ладьи на основе эталона (15,3 dpm/g) и получил радиоуглеродный возраст 3621 +/-180 ВР лет. При датировании древесины ладьи в 1970 году применён эталон (13,56 dpm/g) . Радиоуглеродный возраст почти не изменился и составил 3640 ВР лет. Приведённые нами фактические данные по датированию ладьи фараона можно проверить по соответствующим ссылкам на научные публикации.
Цена вопроса. Получение практически одного и того же радиоуглеродного возраста древесины ладьи фараона: 3621-3700 ВР лет на основе применения трёх эталонов, значения которых отличаются существенно, физически невозможно. Применение эталона (15,3 dpm/g) автоматически даёт увеличение возраста датируемого образца на 998 лет, по сравнению с эталоном (13,56 dpm/g), и на 1668 лет, по сравнению с эталоном (12,5 dpm/g). Из этой ситуации имеется всего два выхода. Признание того, что:
При датировании древесины ладьи фараона Sesostris III были осуществлены манипуляции с эталонами (древесина вопреки декларациям, датировалась на основе одного и того же эталона);
Ладья фараона Sesostris III волшебная.
Заключение. Суть рассмотренных явлений, названных манипуляциями, выражается одним словом – фальсификация.
После смерти содержание C 12 остается постоянным, а содержание C 14 уменьшается
Загрязнение образцов
Мэри Левайн объясняет:
«Загрязнением называется наличие в образце органического материала чуждого происхождения, который не был сформирован вместе с материалом образца».
На многих фотографиях раннего периода радиоуглеродного анализа изображены научные специалисты, которые курят сигареты во время сбора или обработки образцов. Не слишком умно с их стороны! Как указывает Ренфрю, «уроните щепотку пепла на ваши образцы, подготовленные к анализу, и вы получите радиоуглеродный возраст табака, из которого была сделана ваша сигарета».
Хотя в наши дни такая методологическая некомпетентность считается недопустимой, археологические образцы все равно страдают от загрязнения. Известные виды загрязнений и способы борьбы с ними обсуждаются в статье Тейлора (1987). Он делит загрязнения на четыре главные категории: 1) физически устранимые, 2) растворимые в кислотах, 3) растворимые в щелочах, 4) растворимые в растворителях. Все эти загрязнения, если не устранить их, сильно влияют на лабораторное определение возраста образца.
X. Э. Гоув, один из изобретателей метода акселераторной масс-спектрометрии (AMS), сделал радиоуглеродную датировку Туринской плащаницы. Он пришел к выводу, что волокна ткани, использованные для изготовления плащаницы, датируются 1325 годом.
Хотя Гоув и его коллеги совершенно уверены в аутентичности своего определения, многие, по очевидным причинам, считают возраст Туринской плащаницы гораздо более почтенным. Гоув со своими единомышленниками дал достойный ответ всем критикам, и если бы мне пришлось делать выбор, то я бы рискнул сказать, что научная датировка Туринской плащаницы, скорее всего, является точной. Но в любом случае, ураган критики, обрушившийся на этот конкретный проект, показывает, как дорого может стоить ошибка при радиоуглеродной датировке и с каким подозрением некоторые ученые относятся к этому методу.
Утверждалось, что образцы могли подвергнуться загрязнению более молодым органическим углеродом; методы очистки могли пропустить следы современных загрязнений. Роберт Хеджес из Оксфордского университета отмечает, что
«нельзя совершенно исключить небольшую систематическую погрешность».
Интересно, назвал бы он расхождение датировок, полученных разными лабораториями по образцу древесины из Шелфорда, «небольшой систематической погрешностью»? Разве не похоже, что нас снова дурачат ученой риторикой и заставляют поверить в совершенство существующих методов?
Леонсио Гарза-Вальдес, безусловно, придерживается такого мнения по отношению к датировке Туринской плащаницы. Все древние ткани покрыты биопластической пленкой в результате жизнедеятельности бактерий, которая, по мнению Гарза-Вальдеса, сбивает с толку радиоуглеродный анализатор. Фактически возраст Туринской плащаницы вполне может составлять 2000 лет, так как ее радиоуглеродную датировку нельзя считать окончательной. Необходимы дальнейшие исследования. Интересно отметить, что Гоув (хотя он расходится во мнениях с Гарза-Вальдесом) согласен, что такая критика служит основанием для новых исследований.
Цикл радиоуглерода (14С) в атмосфере, гидросфере и биосфере Земли
Уровень С14 в земной атмосфере
Согласно «принципу одновременности» Либби, уровень С14 в любом конкретном географическом регионе является постоянным на всем протяжении геологической истории. Эта предпосылка была жизненно необходима для достоверности радиоуглеродного анализа на раннем этапе его развития. Действительно, для надежного измерения остаточного уровня С14 вам нужно знать, какое количество этого изотопа присутствовало в организме на момент его смерти. Но эта предпосылка, по мнению Ренфрю, является ошибочной:
«Однако теперь известно, что пропорциональное отношение радиоуглерода к обычному С12 не оставалось постоянным во времени и что до 1000 года до нашей эры отклонения так велики, что радиоуглеродные датировки могут заметно расходиться с действительностью».
Дендрологические исследования (изучение древесных колец) убедительно показывают, что уровень С14 в земной атмосфере за последние 8000 лет был подвержен значительным флуктуациям. Значит, Либби выбрал ложную константу и его исследования были основаны на ошибочных предположениях.
Возраст колорадской сосны, растущей в юго-западных регионах США, может достигать нескольких тысяч лет. Некоторые деревья, еще живые в наши дни, появились на свет 4000 лет назад. Кроме того, по бревнам, собранным в тех местах, где росли эти деревья, можно протянуть летопись древесных колец еще на 4000 лет в прошлое. Другими деревьями-долгожителями, полезными для дендрологических исследований, являются дуб и калифорнийская секвойя.
Как известно, ежегодно на срезе живого древесного ствола нарастает новое годичное кольцо. Подсчитав годичные кольца, можно узнать возраст дерева. Логично предположить, что уровень С14 в годичном кольце 6000-летнего возраста будет аналогичен уровню С14 в современной атмосфере. Но это не так.
К примеру, анализ годичных колец показал, что уровень С14 в земной атмосфере 6000 лет назад был существенно выше, чем сейчас. Соответственно, радиоуглеродные образцы, датируемые этим возрастом, оказались заметно моложе, чем на самом деле, на основании дендрологического анализа. Благодаря работе Ханса Суисса были составлены диаграммы коррекции уровня С14 для компенсации его флуктуации в атмосфере в разные периоды времени. Однако это значительно снизило достоверность радиоуглеродных датировок образцов, возраст которых превышает 8000 лет. У нас просто нет данных о содержании радиоуглерода в атмосфере до этой даты.
Ускорительный масс-спектрометр Университета Аризоны (г. Тусон, штат Аризона, США) производства компании National Electrostatics Corporation: а – схема, б – пульт управления и источник ионов С¯, в – ускорительный танк, г – детектор изотопов углерода. Фото Дж.С. Бурра
Про установки.
«Плохие» результаты?
Когда установленный «возраст» отличается от ожидаемого, исследователи поспешно находят повод объявить результат датирования недействительным. Широкая распространенность этого апостериорного доказательства показывает, что у радиометрического датирования имеются серьезные проблемы. Вудморапп приводит сотни примеров уловок, к которым прибегают исследователи, пытаясь объяснить «неподходящие» значения возраста.
Так, ученые пересмотрели возраст ископаемых останков Australopithecus ramidus. 9 Большинство образцов базальта, наиболее близко подходящего к слоям, в которых были найдены эти окаменелости, показало возраст около 23 миллионов лет по методу «аргон-аргон». Авторы решили, что эта цифра «слишком велика», если исходить из их представлений о месте этих окаменелостей в глобальной эволюционной схеме. Они рассмотрели базальт, располагавшийся подальше от окаменелостей, и, отобрав 17 из 26 образцов, получили приемлемый максимальный возраст в 4,4 миллиона лет. Остальные девять образцов показали опять-таки гораздо больший возраст, но экспериментаторы решили, что дело в загрязнении породы, и отвергли эти данные. Таким образом, на методы радиометрического датирования существенно влияет доминирующее в научных кругах мировоззрение «долгих эпох».
Аналогичная история связана с установлением возраста черепа примата (этот череп известен как образец KNM-ER 1470). 10, 11 Поначалу был получен результат 212–230 млн. лет, который, исходя из окаменелостей, был признан неверным («людей в то время еще не было»), после чего были предприняты попытки установления возраста вулканических пород в этом регионе. Через несколько лет, после опубликования нескольких различных результатов исследований, «сошлись» на цифре 2,9 млн. лет (хотя эти исследования включали в себя и отделение «хороших» результатов от «плохих» – как и в случае с Australopithecus ramidus).
Исходя из предвзятых представлений об эволюции человека, исследователи никак не могли примириться с мыслью, что череп 1470 «настолько стар». После изучения ископаемых останков свиньи в Африке антропологи с готовностью поверили в то, что череп 1470 на самом деле гораздо моложе. После того, как научная общественность утвердилась в этом мнении, дальнейшие исследования пород еще больше снизили радиометрический возраст этого черепа – до 1,9 млн. лет – и вновь отыскались данные, «подтверждающие» очередную цифру. Вот такая «игра в радиометрическое датирование»…
Мы не утверждаем, что эволюционисты сговорились подгонять все данные под наиболее удобный для себя результат. Конечно же, в норме дело обстоит совсем не так. Беда в другом: все данные наблюдения должны соответствовать доминирующей в науке парадигме. Эта парадигма – или, скорей, вера в миллионы лет эволюции от молекулы до человека – настолько прочно укрепилась в сознании, что никто не позволяет себе подвергнуть ее сомнению; напротив, говорят о «факте» эволюции. Вот под эту парадигму и должны подходить абсолютно все наблюдения. В результате исследователи, которые в глазах общественности выглядят «объективными и беспристрастными учеными», бессознательно отбирают именно те результаты наблюдений, которые согласуются с верой в эволюцию.
Нельзя забывать, что прошлое недоступно для нормального экспериментального исследования (серии опытов, проводимые в настоящем). Ученые не могут экспериментировать с событиями, происходившими когда-то. Измеряется не возраст пород – измеряются концентрации изотопов, причем их-то как раз можно измерить с высокой точностью. А вот «возраст» определяется уже с учетом предположений о прошлом, доказать которые невозможно.
Мы должны всегда помнить слова Бога, обращенные к Иову: «Где был ты, когда Я полагал основания земли?» (Иов 38:4).
Те, кто имеет дело с неписаной историей, собирают информацию в настоящем и таким образом пытаются воссоздать прошлое. При этом уровень требований к доказательствам гораздо ниже, чем в эмпирических науках, таких, как физика, химия, молекулярная биология, физиология и т.д.
Уильяме (Williams ), специалист по превращениям радиоактивных элементов в окружающей среде, установил 17 изъянов в методах изотопного датирования (по результатам этого датирования были изданы три весьма солидные труда, позволившие определить возраст Земли приблизительно в 4,6 миллиарда лет). 12 Джон Вудморапп остро критикует эти методы датирования 8 и разоблачает сотни связанных с ними мифов. Он убедительно доказывает, что немногие «хорошие» результаты, оставшиеся после того, как «плохие» данные были отфильтрованы, можно легко объяснить удачным совпадением.
«Какой возраст предпочитаете?»
В анкетах, предлагаемых радиоизотопными лабораториями, обычно спрашивается: «Каким, по-вашему, должен быть возраст данного образца?». Но что это за вопрос? В нем не возникало бы нужды, если бы техники датирования были абсолютно надежны и объективны. Вероятно, дело в том, что лаборатории знают о распространенности аномальных результатов и потому пытаются выяснить, насколько «хороши» получаемые ими данные.
Проверка методов радиометрического датирования
Если бы методы радиометрического датирования могли действительно объективно определять возраст пород, они срабатывали бы и в ситуациях, когда возраст нам точно известен; кроме того, различные методы давали бы согласованные результаты.
Методы датирования должны показывать достоверные результаты для предметов известного возраста
Есть целый ряд примеров, когда методы радиометрического датирования неверно устанавливали возраст пород (этот возраст был точно известен заранее). Один из таких примеров – калий-аргоновое «датирование» пяти потоков андезитовой лавы с горы Нгаурухо в Новой Зеландии. Хотя было известно, что лава один раз текла в 1949 году, три раза – в 1954 и еще один раз – в 1975, «установленные возрасты» варьировали от 0,27 до 3,5 млн. лет.
Все тот же ретроспективный метод породил следующее объяснение: когда порода отвердела, в ней остался «лишний» аргон из-за магмы (расплавленной породы). В светской научной литературе приводится масса примеров тому, как избыток аргона приводит к «лишним миллионам лет» при датировании пород известного исторического возраста. 14 Источником избыточного аргона, по всей видимости, служит верхняя часть мантии Земли, расположенная непосредственно под земной корой. Это вполне соответствует теории «молодой Земли» – у аргона было слишком мало времени, он просто не успел высвободиться. Но если избыток аргона привел к столь вопиющим ошибкам в датировании пород известного возраста, почему мы должны доверять этому же методу при датировании пород, возраст которых неизвестен ?!
Другие методы – в частности, использование изохрон, – включают в себя различные гипотезы о начальных условиях; но ученые все больше убеждаются в том, что даже такие «надежные» методы тоже приводят к «плохим» результатам. И тут снова выбор данных основан на предположении исследователя о возрасте той или иной породы.
Доктор Стив Остин (Steve Austin) , геолог, взял пробы базальта из нижних слоев Большого Каньона и из потоков лавы на краю каньона. 17 По эволюционной логике, базальт у края каньона должен быть на миллиард лет моложе базальта из глубин. Стандартный лабораторный анализ изотопов с применением изохронного датирования «рубидий-стронций» показал, что сравнительно недавний поток лавы на 270 млн. лет старше базальта из недр Большого Каньона – что, конечно же, абсолютно невозможно!
Проблемы методики
Изначально идея Либби опиралась на следующие гипотезы:
- 14C образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей, затем перемешивается в атмосфере, входя в состав углекислого газа. При этом процентное содержание 14C в атмосфере является постоянным и не зависит ни от времени, ни от места, несмотря на неоднородность самой атмосферы и распад изотопов.
- Скорость радиоактивного распада является постоянной величиной, измеряемой периодом полураспада в 5568 лет (предполагается, что за это время половина изотопов 14C превращается в 14N).
- Животные и растительные организмы строят свои тела из углекислоты, добываемой из атмосферы, и при этом живые клетки содержат тот же процент изотопа 14C, что находится в атмосфере.
- По смерти организма его клетки выходят из цикла углеродного обмена, но атомы изотопа 14C продолжают превращаться в атомы стабильного изотопа 12C по экспоненциальному закону радиоактивного распада, что и позволяет рассчитать время, прошедшее со времени смерти организма. Это время называется «радиоуглеродным возрастом» (или, для краткости, «РУ-возрастом»).
У этой теории, по мере накопления материала, стали появляться контрпримеры: анализ недавно умерших организмов иногда даёт очень древний возраст, или, наоборот, проба содержит столь огромное количество изотопа, что вычисления дают 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 тех случаях, когда истинный возраст можно проверить. Такие факты приводят к обоснованным сомнениям в случаях, когда РУ-метод применяется для датирования органических предметов неизвестного возраста, и РУ-датировка не может быть проверена. Случаи ошибочного определения возраста объясняются следующими известными 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):
- Непостоянство процентного содержания 14C в атмосфере. Содержание 14C зависит от космического фактора (интенсивность солнечного излучения) и земного (поступление в атмосферу «старого» углерода из-за горения и 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.
- Не доказано однородное распределение 14C в атмосфере. Скорость перемешивания атмосферы не исключает возможности существенных различий содержания 14C в разных географических регионах.
- Скорость радиоактивного распада изотопов может быть определена не вполне точно. Так, со времён Либби период полураспада 14C по официальным справочникам «изменился» на сотню лет, то есть, - на пару процентов (этому соответствует изменение РУ-возраста на полторы сотни лет). Высказывается предположение, что значение периода полураспада значительно (в пределах нескольких процентов) зависит от экспериментов, в которых он определяется.
- Изотопы углерода не являются вполне эквивалентными , клеточные мембраны могут использовать их избирательно: некоторые абсорбировать 14C, некоторые, наоборот, избегать его. Поскольку процентное содержание 14C ничтожно (один атом 14C к 10 миллиардам атомов 12C), даже незначительная избирательность клетки в изотопном отношении влечёт большое изменение РУ-возраста (колебание на 10 % приводит к ошибке примерно 600 лет).
- По смерти организма его ткани не обязательно выходят из углеродного обмена , участвуя в процессах гниения и диффузии.
- Содержание 14C в предмете может быть неоднородным. 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, 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 к столетним изменениям РУ-возраста.
Резюме
Радиоуглеродная датировка – это развивающийся научный метод. Однако на каждом этапе его развития ученые безоговорочно поддерживали его общую достоверность и замолкали лишь после выявления серьезных ошибок в оценках или в самом методе анализа. Не стоит удивляться ошибкам, если учитывать количество переменных, которые должен принять во внимание ученый: атмосферные флуктуации, фоновое излучение, рост бактерий, загрязнение и человеческая ошибка.
Как часть представительного археологического исследования, радиоуглеродная датировка по-прежнему имеет крайне важное значение; просто ее нужно поместить в культурную и историческую перспективу. Разве ученый имеет право сбрасывать со счетов противоречащие археологические свидетельства только потому, что его радиоуглеродная датировка указывает на другой возраст? Это опасно. Фактически многие египтологи поддержали предположение Либби о том, что хронология Древнего Царства составлена неправильно, так как это было «научно доказано». На самом деле Либби ошибался.
Радиоуглеродная датировка полезна в качестве дополнения к другим данным, и в этом заключается ее сильная сторона. Но пока не наступит день, когда все переменные окажутся под контролем, а все ошибки будут устранены, радиоуглеродные датировки не получат окончательного слова на археологических раскопках.
источники
Глава из книги К. Хэма, Д. Сарфати, К. Виланда под ред. Д. Баттена «КНИГА ОТВЕТОВ: РАСШИРЕННАЯ И ОБНОВЛЕННАЯ»
Грэм Хэнкок: Следы богов . М., 2006. Стр. 692-707.
В том числе и по этим причинам, описанным выше «всплывают» и возникают загадки Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия -
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.
Физические основания
Углерод, являющийся одной из основных составляющих биологических организмов, присутствует в земной атмосфере в виде стабильных изотопов 12 C и 13 C и радиоактивного 14 C. Изотоп 14 C постоянно образуется в атмосфере под действием радиации (главным образом, космических лучей , но и излучения от земных источников тоже). Соотношение радиоактивного и стабильных изотопов углерода в атмосфере и в биосфере в одно и то же время в одном и том же месте одинаково, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене и получают углерод из окружающей среды, а изотопы, в силу их химической неразличимости, участвуют в биохимических процессах практически одинаковым образом. В живом организме удельная активность 14 C равна примерно 0,3 распада в секунду на грамм углерода, что соответствует изотопному содержанию 14 C около 10 −10 %.
С гибелью организма углеродный обмен прекращается. После этого стабильные изотопы сохраняются, а радиоактивный (14 C) испытывает бета-распад с периодом полураспада 5568±30 лет (по новым уточнённым данным - 5730±40 лет), в результате его содержание в останках постепенно уменьшается. Зная исходное соотношение содержания изотопов в организме и измерив их текущее соотношение в биологическом материале, можно определить, сколько углерода-14 распалось и, таким образом, установить время, прошедшее с момента гибели организма.
Применение
Для определения возраста из фрагмента исследуемого образца выделяется углерод (путём сжигания фрагмента), для выделенного углерода производится измерение радиоактивности, на основании этого определяется соотношение изотопов, которое и показывает возраст образца. Образец углерода для измерения активности обычно вводится в газ, которым наполняется пропорциональный счётчик, либо в жидкий сцинтиллятор . В последнее время для очень малых содержаний 14 C и/или очень малых масс образцов (несколько мг) используется ускорительная масс-спектрометрия, позволяющая прямо определять содержание 14 C. Предельный возраст образца, который может быть определён радиоуглеродным методом - около 60 000 лет, т. е. около 10 периодов полураспада 14 C. За это время содержание 14 C уменьшается примерно в 1000 раз (около 1 распада в час на грамм углерода).
Измерение возраста предмета радиоуглеродным методом возможно только тогда, когда соотношение изотопов в образце не было нарушено за время его существования, то есть образец не был загрязнён углеродосодержащими материалами более позднего или более раннего происхождения, радиоактивными веществами и не подвергался действию сильных источников радиации. Определение возраста таких загрязнённых образцов может дать огромные ошибки. Так, например, описан случай, когда тестовое определение по траве, сорванной в день анализа, дало возраст порядка миллионов лет, из-за того, что трава была сорвана на газоне вблизи автодороги с постоянным сильным движением и оказалась сильно загрязнена "ископаемым" углеродом из выхлопных газов (сгоревших нефтепродуктов). За прошедшие с момента разработки метода десятилетия накоплен большой опыт в выявлении загрязнений и в очистке от них образцов. Погрешность метода в настоящее время, как считается, находится в пределах от семидесяти до трёхсот лет.
Один из наиболее известных случаев применения радиоуглеродного метода - исследование фрагментов Туринской плащаницы (христианской святыни, якобы хранящей на себе следы тела распятого Христа), проведённое в году, одновременно в нескольких лабораториях слепым методом . Радиоуглеродный анализ позволил датировать плащаницу периодом -XIII веков.
Калибровка
Исходные предположения Либби, на которых строилась идея метода, заключались в том, что соотношение изотопов углерода в атмосфере во времени и пространстве не меняется, а содержание изотопов в живых организмах в точности соответствует текущему состоянию атмосферы. В настоящее время твёрдо установлено, что все эти предположения могут быть приняты лишь приблизительно. Содержание изотопа 14 C зависит от радиационной обстановки, которая меняется во времени из-за колебания уровня космических лучей и активности Солнца , и в пространстве, вследствие неодинакового распространения радиоактивных веществ на поверхности Земли и событий, связанных с радиоактивными материалами (так, например, в настоящее время в образование изотопа 14 C до сих пор вносят свой вклад радиоактивные материалы, которые образовались и были рассеяны при испытаниях ядерного оружия в атмосфере в середине века). В последние десятилетия вследствие сжигания ископаемого топлива, в котором 14 C практически отсутствует, атмосферное содержание этого изотопа снижается. Таким образом, принятие некоторого соотношения изотопов за постоянное способно породить значительные ошибки (порядка тысячелетий). Кроме того, исследования показали, что некоторые процессы в живых организмах приводят к избыточному накоплению радиоактивного изотопа углерода, что нарушает естественное соотношение изотопов. Понимание процессов, связанных с углеродным обменом в природе и влияния этих процессов на соотношение изотопов в биологических объектах было достигнуто не сразу.
В результате радиоуглеродные датировки, производившиеся 30-40 лет назад, часто оказывались весьма неточными. В частности, проведённая тогда проверка метода по ныне живущим деревьям возрастом в несколько тысяч лет показала значительные отклонения для образцов древесины возрастом свыше 1000 лет.
В настоящее время для правильного применения метода произведена тщательная калибровка, учитывающая изменение соотношения изотопов для различных эпох и географических регионов, а также учёт специфики накопления радиоактивных изотопов в живых существах и растениях. Для калибровки метода используется определение соотношения изотопов для предметов, абсолютная датировка которых заведомо известна. Одним из источников калибровочных данных является дендрохронология . Также проведены сопоставления определения возраста образцов радиоуглеродным методом с результатами других изотопных методов датирования. Стандартная кривая, используемая для пересчёта измеренного радиоуглеродного возраста образца в абсолютный возраст, приведена здесь: .
Можно констатировать, что в своём современном виде на историческом интервале (от десятков лет до 60-70 тысяч лет в прошлое) радиоуглеродный метод можно считать достаточно надёжным и качественно откалиброванным независимым методом датирования предметов биологического происхождения.
Критика метода
Несмотря на то, что радиоуглеродное датирование уже давно вошло в научную практику и достаточно широко используется, высказывается и критика этого метода, ставящая под сомнение как отдельные случаи его применения, так и теоретические основания метода в целом. Как правило, радиоуглеродный метод критикуется сторонниками креационизма , «Новой хронологии » и других теорий, не признанных научным сообществом . Основные возражения против радиоуглеродного датирования приведены в статье Критика естественно-научных методов в «Новой хронологии» Фоменко . Часто критика радиоуглеродного анализа основывается на состоянии методологии в 1960-х годах, когда метод ещё не был надёжно откалиброван.
См. также
Ссылки
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Радиоуглеродный метод" в других словарях:
Метод использования радиоактивного углерода 14С для лечения живых организмов с целью изучения различных механизмов, физиологических процессов (например, обмена веществ), измерения продуктивности в экосистемах и др. См. также Углерод 14С.… … Экологический словарь
Радиоуглеродный метод - (англ. radiocarbon). Углерод 14 радиоактивный изотоп, который образуется в атмосфере под действием космической радиации. Он действует как обычный углерод (12C), входящий в органическое вещество всего живого. Пропорции радиоактивного и… … Археологический словарь
Изменение атмосферной концентрации радиоуглерода 14C, вызванное ядерными испытаниями. Синим показана естественная концентрация Радиоуглеродный анализ разнов … Википедия
Предложен Либби (Libby, 1949) для молодых образований; основах на распаде радиоуглерода С14, образующегося в верхних слоях атмосферы (см. Обменный резервуар) при взаимодействия нейтронов космического излучения с ядрами атмосферного aзота по… … Геологическая энциклопедия
- (от греч. methodos путь, способ исследования, обучения, изложения) совокупность приемов и операций познания и практической деятельности; способ достижения определенных результатов в познании и практике. Применение того или иного М. определяется… … Философская энциклопедия
- (см. радио... + карбо...) радиоуглеродный метод метод датировки по измерению содержания радиоактивного изотопа углерода (с 14) в остатках живых организмов. Новый словарь иностранных слов. by EdwART, 2009 … Словарь иностранных слов русского языка
лихенометрический метод в селеведении - licheometry of mudflows ЛИХЕНОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД В СЕЛЕВЕДЕНИИ метод определения абсолютного возраста селевых отложений по данным о максимальных диаметрах некоторых видов накипных лишайников. Основан на том факте, что радиальный прирост лишайников … Селевые явления. Терминологический словарь
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)
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 .
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
Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .