РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ МЕТОД (РАДИОКАРБОН) - используется для датировки органики - то есть всего того, что когда-то было частью биосферы и обменивалось с окружающей средой углеродом.
ПРИНЦИП, НА КОТОРОМ ОСНОВАН МЕТОД
Углерод один из самых распространенных элементов в живой природе. Собственно, его содержит все живое, именно по этому форма жизни на нашей планете и называется углеродной. В природе углерод существует в виде трех изотопов. Изотопами называют атомы одного и того же вещества, но имеющие разное число нейтронов. Самый распространенный изотоп углерода - 12С - его ядро содержит 6 протонов и 6 нейтронов. Таких атомов углерода в биосфере подавляющее большинство - 98,89% всего углерода. Изотоп 13С содержит 6 протонов и 7 нейтронов, и составляет 1,11% всего углерода. И есть еще изотоп 14С, содержащий 6 протонов и 8 нейтронов. Его совсем мало - десять в минус одиннадцатой степени процента.
Изотопы 12С и 13С - стабильные, то есть могут существовать неограниченное время. В то время как ядро изотопа 14С слишком тяжелое, поэтому у него есть некоторая вероятность развалиться. Распад выглядит следующим образом. Один из нейтронов в ядре испускает бета-частицу (электрон, e−) и электронное антинейтрино. Нейтрон электрически нейтрален (то есть его заряд равен 0) электрон имеет отрицательный заряд, следовательно, после распада нейтрон превращается в положительно заряженный протон, а нестабильное ядро атома углерода 14С становится вполне стабильным ядром азота 14N, содержащее 7 протонов (на один больше чем было) и 7 нейтронов (на 1 меньше чем было).
Когда распадется конкретный атом - неизвестно, поэтому применяется статистическая величина ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА - время за которое распадается половина изотопов 14С. Половина от какого количества? От любого. Чем больше образец, тем больше в нем углерода, тем чаще происходит распад, чем меньше - тем реже, но половина изотопов распадется в любом случае за 5730 лет.
Исходя из этого можно подумать, что количество изотопа 14С в биосфере планеты должно со временем падать - если каждые 5730 лет половина его распадается. Однако этого не происходит, поскольку существует обратный процесс - изотоп 14С образуется в атмосфере из азота 14N под действием космического и солнечного излучения. Получившийся таким образом углерод 14С соединяется с атмосферным кислородом и образует углекислый газ. Углекислый газ усваивается растениями в процессе фотосинтеза, растения поедают животные, и так далее, в результате углерод 14С равномерно распределяется в биосфере. Поскольку растению или животному по большому счету все равно, какой именно углерод усваивать, то, пока оно живо, то есть обменивается с атмосферой или океаном углеродом - процентное соотношение изотопов углерода в нем, а значит и во всей биосфере, будет такое же как и в атмосфере. Однако, как только животное или растение умирает, оно перестает быть частью биосферы, обмен углеродом с окружающей средой прекращается, но распадаться нестабильный 14С не перестает, а стабильные 12С и 13С отстаются на месте. И если образец сохранился, то со временем соотношение изотопов углерода в нем будет меняться - доля 14С будет становиться все меньше и меньше. Таким образом, определив долю изотопа 14С в общем количестве углерода в образце и зная период его полураспада, можно рассчитать, сколько лет назад образец умер.
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ ИЗОТОПОВ 14С/12С
Определить долю изотопа 14С можно двумя способами. Не будем заморачиваться техническими подробностями, рассмотрим лишь принципы измерения.
БЕТА-ПОДСЧЕТ
Этот способ основан на измерении радиационной активности образца, то есть подсчете числа электронов, выпускаемых распадающимися атомами в единицу времени на единицу массы. Понятно, что чем больше активность - тем моложе образец, и чем дольше проводятся измерения, тем точнее результат.
УСКОРИТЕЛЬНАЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ
Ускорительная масс-спектрометрия непосредственно подсчитывает соотношение атомов 14С/12С в образце. Совсем упрощенно - масс-спектрометр представляет собой последовательность следующих узлов. ИОНИЗАТОР ВЕЩЕСТВА, в котором из образца выбиваются ионы (положительно заряженные ядра атомов). Ионы направляются в УСКОРИТЕЛЬ, где достигают достаточно высоких скоростей (несколько процентов скорости света), после чего попадают в МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. В магнитном поле траектории ионов разделяются в зависимости от соотношения заряда и массы. Все изотопы будут иметь одинаковый заряд +6 (по числу протонов), а вот масса их будет отличаться за счет того, что число нейтронов в ядрах изотопов разное. Более легкие ядра изотопа 12С отклоняться сильнее, чем более тяжелые 13С, а наименьшее отклонение получат самые тяжелые ядра 14С. Таким образом, на выходе из магнитного поля мы получим три пучка ионов, отдельно для каждого изотопа. Эти три пучка направляются в НАБОР ДЕТЕКТОРОВ, где и пересчитываются. Из полученных результатов рассчитывается соотношение 14С/12С, зная которое можно рассчитать возраст образца.
Когда методика радиоуглерода только появилась, для определения соотношения 14С/12С применялся метод бета-подсчета. Однако ускорительная масс-спектроскопия дает гораздо более точный результат, причем гораздо быстрее, чем при бета-подсчете, точность которого зависит, в том числе, от времени измерения. Кроме того, масс-спектроскопия может применяться на очень маленьких образцах.
ВОЗМОЖНЫЕ ОШИБКИ ПРИ ДАТИРОВАНИИ
При определении возраста образца радиоуглеродным методом, необходимо учитывать четыре типа факторов, которые могут вызвать очень существенные ошибки в измерениях. Чтобы их избежать, иногда достаточно сделать некоторые поправки при вычислении, или необходимо определенным образом подготовить образец, а иногда приходится выбирать другой метод датировки. Факторы, которые могут являться источником ошибок:
- Изменение соотношения изотопов14C/12C в атмосфере по времени и географии;
- Резервуарный эффект;
- Изотопное фракционирование;
- Загрязнение.
Рассмотрим подробно каждый из этих факторов.
ИЗМЕНЕНИЕ СООТНОШЕНИЯ ИЗОТОПОВ 14С/12С в АТМОСФЕРЕ
Когда радиоуглеродный метод только был открыт, предполагалось, что процессы образования изотопа С14 и его распада компенсируют друг друга, и соотношение изотопов 14С/12С остается постоянным, однако со временем выяснилось, что это не так. На соотношение 14С/12С влияют множество факторов. Колебания солнечной активности вызывают увеличение или уменьшение выработки в атмосфере изотопа 14С.
При извержении вулкана в воздух выбрасывается большое количество старого углерода, в котором практически нет изотопа 14С, что приводит к снижению его концентрации в районе извержения. Растения, которые используют такой углерод для фотосинтеза, животные, которые питаются растениями, и дальше по пищевой цепочке - вся органика также будет иметь низкую концентрацию 14С и датироваться намного старше. Кроме того, концентрация изотопа 14С варьируется в зависимости от полушарий и близости к полюсам. Из антропогенных факторов влияющих на концентрацию изотопа 14С в атмосфере можно выделить сжигание органического топлива, в результате чего выбрасывается большое количество старого углерода, не содержащего 14С, а также наземные ядерные испытания, приводящие к образованию дополнительного количества изотопа 14С.
Таким образом, соотношение 14С/12С в атмосфере, как географически, так и с течением времени может быть непостоянно по многим разнообразным причинам. Учитываются эти изменения при помощи калибровочных кривых, которые составляются на основе исследования годичных колец деревьев. В процессе роста дерево, в отличие от однолетних растений, только добавляет материал к внешнему кольцу, внутренние же кольца в углеродном обмене участия не принимают, и таким образом, годичные кольца представляют из себя запись соотношения 14С/12С в атмосфере на данной территории по годам. Построенные таким образом калибровочные кривые позволяют устранить ошибки в датировании, вызванные изменениями соотношения 14С/12С в атмосфере.
РЕЗЕРВУАРНЫЙ ЭФФЕКТ
Резервуар углеродного обмена - это совокупность атмосферы, океана и биосферы. Предположение о том, что соотношение изотопов в разных элементах резервуара одинаковое, в первое время использования метода также давало существенные ошибки. Как мы помним, изотоп 14С образуется в верхних слоях атмосферы и распределяется по нижнему слою за счет диффузии. Аналогично углерод из атмосферы смешивается с углеродом поверхностных океанических вод. Это не мгновенный процесс, для перемешивания требуется несколько лет, поэтому содержание 14С в поверхностных водах океанов меньше, чем в атмосфере. Вода в глубоких слоях еще более старая, за счет того, что процесс перемешивания глубоководных и поверхностных слоев занимает гораздо больше времени, около 1000 лет, изотоп 14С за это время частично распадается и его концентрация становится еще меньше. Процесс этот идет неравномерно, зависит от рельефа дна, морских течений, температуры и прочих факторов. Этот эффект сказывается на содержании 14С в морской флоре и фауне, а также на его содержании в наземной фауне, питающейся морскими животными.
Кроме морского, существует еще пресноводный резервуарный эффект, который получается за счет вымывания из пород геологического углерода с низким содержанием изотопа 14С. Этот эффект затрагивает как флору и фауну непосредственно пресноводных резервуаров, наземных животных, в диету которых входят водные компоненты, так и растения, произрастающие рядом.
Учет резервуарного эффекта также осуществляется при помощи калибровки, только в этом случае используют раковины-фораминиферы - одноклеточный планктон, наращивающий вокруг себя раковины слоями, так же как и кольца деревьев.
ИЗОТОПНОЕ ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ
Изотопное фракционирование - это эффект, заключающийся в том, что в процессе углеродного обмена разные изотопы принимают участие по-разному, в результате выделяются отдельные фракции 12С, 13С или С14, и соотношение на разных этапах обмена изменяется.
Например, в процессе фотосинтеза лучше всего растения поглощают изотоп 12С, хуже 13С, еще хуже 14С. Поэтому соотношение 14С/12С в растениях отличаются от соотношения в атмосфере. Другой пример изотопного фракционирования - изотоп 14С лучше растворяется в океане, чем 12С, за счет чего соотношение 14С/12С в поверхностных водах увеличивается.
Существуют и другие варианты этого эффекта - любопытный да пороется в интернете. Ошибки, с ним связанные, устраняются при помощи соответствующих поправок, которые можно рассчитать, изучив закономерности процесса для каждого случая.
ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Помимо описанных эффектов, образец может быть загрязнен углеродосодержащими материалами более позднего или более раннего происхождения, или даже современной органикой, радиоактивными веществами, или подвергаться воздействию радиации в какой-то период своего существования. Все это может дать наиболее существенные ошибки при датировании. Причем, чем старше образец, тем более существенными будут ошибки.
Чтобы их минимизировать, применяются специальные методы очистки образцов, выделяются по возможности наименее подверженные загрязнению части - целлюлоза в случае анализа растений, или коллаген при датировании животных.
ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЯ И ПОГРЕШНОСТЬ
За 5730 лет в образце распадется половина атомов 14С, в следующие 5730 лет - половина от оставшихся и так далее, и через какое-то время изотопа 14С в образце останется настолько мало, что измерить его не представляется возможным. Поэтому максимальный возраст образца, который можно измерить этим методом ограничен. Сегодняшние возможности позволяют определять этим методом возраст до 55000 лет. Если образец старше, определить его возраст этим методом не получится, надо использовать какой-нибудь другой.
На сегодняшний день погрешность радиоуглеродного метода находится в пределах от 24 лет (образцы начала XV века) до 1600 лет (образцы ~47 тысячелетия до н. э.).
ОБОЗНАЧЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Проводя измерение радиоуглеродным методом, непосредственно мы получаем величину, называемую РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ ВОЗРАСТ - это возраст образца в предположении, что концентрация изотопа 14С во всем углеродном резервуаре одинакова и не меняется со временем. Затем в процессе калибровки учитываются все описанные эффекты и вычисляется уже КАЛЕНДАРНЫЙ ВОЗРАСТ образца.
В литературе можно встретить разные обозначения результатов радиоуглеродного датирования, как до, так и после калибровки, и хорошо бы понимать, что конкретно имеется в виду в каждом случае.
РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ ВОЗРАСТ (некалиброванные даты) указываюся в таком формате:
лаборатория - номер образца: <число углеродных лет>±<погрешность>ВР
Например, некалиброванная дата UtC-2020: 3510±60ВР означает, что образец под номером 2020 был протестирован в Утрехтской лаборатории ван дер Граафа ("UtC"), некалиброванный возраст составляет 3510 лет до настоящего времени, ± 60 лет.
КАЛИБРОВАННЫЕ ДАТЫ
Калиброванные даты обозначают число не углеродных, а календарных лет существования образца. Принято несколько обозначений:
cal - указание на то, что дата откалибрована;
с. или ca. - около, приблизительно;
BC, BCE - до нашей эры;
CE, AD - нашей эры;
ВР - до настоящего времени (до 1950 года)