Радиоуглеродный анализ

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Радиоуглеродный метод»)
Перейти к: навигация, поиск
Изменение атмосферной концентрации радиоуглерода 14C, вызванное ядерными испытаниями. Синим показана естественная концентрация

Радиоуглеро́дный ана́лиз — разновидность радиоизотопной датировки, применяемая для определения возраста биологических останков, предметов и материалов биологического происхождения путём измерения содержания в материале радиоактивного изотопа 14C по отношению к стабильным изотопам углерода. Предложен Уиллардом Либби в 1946 году (Нобелевская премия по химии, 1960).

Физические основания[править | править исходный текст]

1: Образование радиоуглерода 14C.
2: Распад 14C.
3: Условие равновесия для живых организмов и неравновесие для умерших организмов, в которых радиоуглерод распадается без пополнения извне.

Углерод, являющийся одной из основных составляющих биологических организмов, присутствует в земной атмосфере в виде стабильных изотопов 12C (98,89 %) и 13C (1,11 %) и радиоактивного 14C, который присутствует в следовых количествах (около 10−10%). Изотоп 14C постоянно образуется в основном в верхних слоях атмосферы на высоте 12-15 км при столкновении вторичных нейтронов от космических лучей с ядрами атмосферного азота:

n + \mathrm{^{14}_{7}N} \rightarrow \mathrm{^{14}_{6}C} + p.

В среднем в год в атмосфере Земли образуется около 7,5 кг радиоуглерода при общем его количестве ~75 тонн.

Образование радиоуглерода вследствие естественной радиоактивности на поверхности Земли пренебрежимо мало.

Радиоизотоп углерода 14C подвержен β-распаду с периодом полураспада T1/2 = 5730±40 лет:

\mathrm{^{14}_{6}C}\rightarrow\mathrm{^{14}_{7}N}+ e^- + \bar{\nu}_e.

Соотношение радиоактивного и стабильных изотопов углерода в атмосфере и в биосфере примерно одинаково из-за активного перемешивания атмосферы, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене, получая углерод из окружающей среды, а изотопы, в силу их химической неразличимости, участвуют в биохимических процессах практически одинаковым образом.

Удельная активность углерода в живых организмах соответствует атмосферному содержанию радиоуглерода и составляет примерно 0,3 распада в секунду на грамм углерода. С гибелью организма углеродный обмен прекращается. После этого стабильные изотопы сохраняются, а радиоактивный (14C) постепенно распадается, в результате его содержание в останках постепенно уменьшается. Зная исходное соотношение содержания изотопов в организме и определив их текущее соотношение в биологическом материале масс-спектрометрическим методом или измерив активность методами дозиметрии, можно установить время, прошедшее с момента гибели организма.

Применение[править | править исходный текст]

Для определения возраста из фрагмента исследуемого образца выделяется углерод (путём сжигания предварительно очищенного фрагмента), для выделенного углерода производится измерение радиоактивности, на основании этого определяется соотношение изотопов, которое и показывает возраст образцов. Образец углерода для измерения активности обычно вводится в газ, которым наполняется пропорциональный счётчик, либо в жидкий сцинтиллятор. В последнее время для очень малых содержаний 14C и/или очень малых масс образцов (несколько мг) используется ускорительная масс-спектрометрия, позволяющая прямо определять содержание 14C. На 2010 год предельный возраст образца, который может быть точно определён радиоуглеродным методом — около 60 000 лет, то есть около 10 периодов полураспада 14C. За это время содержание 14C 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. За прошедшие с момента разработки метода десятилетия накоплен большой опыт в выявлении загрязнений и в очистке от них образцов. Для датирования из образцов химическими методами выделяют наименее подверженные загрязнению компоненты. При радиоуглеродном анализе растительных остатков используется целлюлоза, а при датировании костей, рогов и других животных остатков выделяется коллаген. Погрешность метода в настоящее время находится в пределах от семидесяти до трёхсот лет.

Один из наиболее известных случаев применения радиоуглеродного метода — исследование фрагментов Туринской плащаницы, проведённое в 1988 году, одновременно в нескольких лабораториях слепым методом. Радиоуглеродный анализ позволил датировать плащаницу периодом XIXIII веков. Скептики считают такой результат подтверждением того, что плащаница — средневековая подделка. Сторонники же подлинности реликвии считают полученные данные результатом загрязнения плащаницы углеродом при пожаре в XVI веке. Однако поскольку при датировании используется целлюлоза волокон ткани, последнее объяснение не является убедительным.

Калибровка[править | править исходный текст]

Калибровочная кривая, используемая при радиоуглеродном датировании (Stuiver et al. 1998[1]).

Исходные предположения Либби, на которых строится метод радиоуглеродного датирования, заключаются 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. Однако, как было установлено в дальнейшем, эти предположения справедливы лишь приблизительно. Содержание изотопа 14C в атмосфере зависит от многих факторов, таких как:

  • интенсивность космических лучей и активности Солнца;
  • широта местности;
  • состояние атмосферы и магнитосферы;
  • вулканическая деятельность (углерод, содержащийся в вулканических выбросах, «древний», практически не содержащий 14C);
  • круговорот углекислого газа в природе;
  • проведение атмосферных ядерных испытаний, создавших в 1950-х—60-х годах существенный выброс (около 0,5 тонны) радиоуглерода в атмосферу (бомбовый эффект);
  • сжигание большого количества ископаемых топлив (углерод, содержащийся в нефти, природном газе и угле — «древний», практически не содержащий 14C) — так называемый эффект Зюсса, возникший с началом промышленной революции в 19 веке.

Два последних фактора делают невозможным проведение точных радиоуглеродных датировок у образцов 20-го века.

Кроме того, исследования показали, что из-за разницы в атомных массах изотопов углерода химические реакции и процессы в живых организмах идут с немного разными скоростями, что нарушает естественное соотношение изотопов (так называемый эффект изотопного фракционирования)[2]. Ещё один важный эффект (резервуарный эффект) — замедленное достижение радиоуглеродного равновесия в Мировом океане из-за его медленного[3] обмена углеродом с атмосферным резервуаром — приводит, если не учитывать поправок, к кажущемуся увеличению возраста остатков морских организмов, а также тех сухопутных организмов, чья диета в основном состояла из морской пищи. Понимание процессов, связанных с углеродным обменом в природе и влиянием этих процессов на соотношение изотопов в биологических объектах, было достигнуто не сразу. Таким образом, использование радиоуглеродного метода без учёта этих эффектов и вносимых ими поправок способно породить значительные ошибки (порядка тысячелетия), что часто происходило на ранних этапах развития метода, до 1970-х годов.

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. Последняя версия калибровочной кривой, используемой для пересчёта измеренного радиоуглеродного возраста образца в абсолютный возраст, опубликованная в 2009 году[4], охватывает последние 50 000 лет и получена на основании тысяч измерений точно датируемых древесных колец деревьев (последние 12 000 лет), годовых приростов кораллов и отложений фораминифер. Сравнение отложений на дне японского озера Суйгецу за период с 12 000 до 40 тысяч лет назад с информацией, полученной дендрохронологами при анализе древесных колец, привело к внесению поправок, сдвинувших данные в прошлое на 300—400 лет. Предполагалось, что новый калибровочный стандарт заменит IntCal09 в конце 2012 года и будет лучше коррелировать со стандартом IntCal04[5][6]. В 2012 году было отмечено, что имеются ошибки, в наиболее часто используемых программах калибровки расчёта возраста по данным радиоуглеродного анализа, однако до сих пор никакой коррекции этой ошибки не проведено[7].

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[править | править исходный текст]

Несмотря на то, что радиоуглеродное датирование уже давно вошло в научную практику и достаточно широко используется, в околонаучных публикациях и в Интернете встречается критика этого метода, ставящая под сомнение методы его применения для датирования исторических артефактов (в особенности более позднего периода). Как правило, радиоуглеродный метод критикуется сторонниками креационизма, «Новой хронологии» и других псевдонаучных концепций. Некоторые примеры возражений против радиоуглеродного датирования приведены в разделе Критика естественно-научных методов в «Новой хронологии» Фоменко. Обычно такая критика радиоуглеродного анализа основывается на самых ранних научных публикациях, отражающих состояние методологии в 1960-х годах, и на непонимании основ метода и особенностей калибровки[8].

См. также[править | править исходный текст]

Литература[править | править исходный текст]

  • Вагнер Г. А. Научные методы датирования в геологии, археологии и истории. — М.: Техносфера, 2006.

Примечания[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]