О методе датировки по углероду-14

датирование по углероду-14

Нам всем с самого раннего детства было очевидно, что химические элементы отличаются друг от друга своим атомным номером. То есть количеством протонов, которое содержат их атомы. Ведь первое, что объясняют молодые выпускницы педагогических ВУЗов первоклассникам, прилежно сидящим за деревянными партами – строение атома. Согласно указаниям Минобрнауки России все российские дети ещё до того, как научатся писать и читать, должны уяснить, что атомы нейтральны по той причине, что количество протонов, имеющих положительный электрический заряд, равно количеству электронов, имеющих отрицательный электрический заряд. И что атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. А атом углерода содержит шесть протонов и шесть электронов.

Именно эти базовые знания, по задумке министерских функционеров, должны стать основой для формирования будущего могучего интеллекта всесторонне развитого гражданина. И это правильно, друзья мои. Правильно.

Атомы и их изотопы

Почти сразу же после вступительного слова дети узнаЮт, что все атомы также содержат и другие частицы. Они называются нейтронами. Эти частицы не имеют электрического заряда. И необходимы для обеспечения стабильности атомного ядра. Один и тот же химический элемент может иметь разные версии своих атомов. Из-за разного количества содержащихся в их ядрах нейтронов. Такие варианты «исполнения» атомов называют изотопами.

Дети слушают учителя очень внимательно. А те из них, которые уже умеют немного писать, помечают в своих блокнотах, что в природе существует три изотопа углерода. Это углерод-12 с шестью нейтронами в ядре, углерод-13 с семью и углерод-14 с восемью нейтронами. Есть и другие изотопы углерода. Но все они были созданы искусственно. И среди них нет более или менее стабильных. Все они существуют всего несколько секунд или того меньше.

Число в названии изотопа представляет количество частиц, протонов и нейтронов в его ядре. Например, углерод-14 имеет шесть протонов, как и все атомы углерода, и восемь нейтронов. Шесть плюс восемь равно примерно четырнадцать.

Из трёх природных изотопов углерода нестабилен только углерод-14. Когда он распадается, один из его нейтронов превращается в протон, испуская электрон и антинейтрино. Таким образом углерод-14 с шестью протонами и восемью нейтронами становится азотом-14 с семью протонами и семью нейтронами.

Природа радиоактивности такова, что время, необходимое для того, чтобы заданное количество атомов радиоактивного изотопа уменьшилось вдвое, является постоянной величиной. Не зависящей от размера образца. Это время учёные называют периодом полураспада изотопа.

Период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет. Это означает, что если у нас в условном подвале стоит банка с огурцами, содержащими M (нет, M мало. Возьмём N) атомов углерода-14, через 5730 лет их останется только N/2. Еще через 5730 лет их число сократится до N/4. И так далее.

огурцы в банках
Поговаривают, что в трёх банках огурцов углерода-14 примерно в три раза больше, чем в одной. Фото НАСА.

Сколько лет углероду-14?

Но как же тогда можно объяснить тот факт, что спустя миллиарды лет существования Земли углерода-14 всё еще достаточно много встречается в консервах и других важнейших продуктах питания, чтобы его можно было обнаружить? Может быть нашей Земле вовсе не миллиарды лет? А всего несколько тысяч? (Такой вопрос задаёт молодой застенчивой учительнице мальчик Денис, поправляя левой рукой на переносице свои огромные очки с толстыми линзами). И учительница, схватившись зачем-то за спинку стула, немного дрожащим от волнения голосом так ответила школьнику:

– Дело в том, что углерод-14 естественным образом вырабатывается в верхних слоях атмосферы при взаимодействии космических лучей с её атомами. Среди множества частиц, порождаемых космическими лучами в атмосфере, образуются и свободные нейтроны. Когда один из таких нейтронов сталкивается с атомом азота-14, он может заменить протон в его ядре. Таким образом в атмосфере появляются атомы углерод-14.

Полученный таким образом углерод-14 попадает в воздух и соединяется с кислородом. В результате этого процесса получается углекислый газ. Растения, осуществляя фотосинтез, поглощают этот углекислый газ. Таким путём углерод-14 попадает в пищу людей и других животных. Поэтому очевидно, что углерода-14 в тканях живых организмов содержится равно столько же, что и в атмосфере. Примерно один из триллиона атомов углерода является изотопом – углеродом-14.

первый урок в школе
Первый урок в обычной московской школе. Фото НАСА.

Методы датировки

Живые существа, когда уходят из жизни, по естественной причине перестают включать углерод-14 в свои ткани. И существующие в них атомы распадаются. Поскольку начальная доля углерода-14 известна, можно определить время, прошедшее после смерти такого живого существа. Это можно сделать путём измерения доли углерода-14, содержащегося в его останках.

Таким образом, можно измерить возраст любых органических материалов. Тканей, деревьев, палочек от мороженого, костей мамонта, ракушек и т. д.

Этот метод датирования был разработан в 1949 году американским химиком Уиллардом Либби. Который получил Нобелевскую премию по химии в 1960 году за своё открытие.

В действительности концентрация углерода-14 в атмосфере не является постоянной, но, сравнивая результаты с другими методами датирования, такими как дендрохронология (изучение годичных колец деревьев), учёные установили некоторые калибровочные точки для углерода-14, которые позволяют установить возраст образца с точностью около сорока лет.

Метод датирования по углероду-14 применим только к органическим образцам возрастом не более 60 000 лет. В более старых останках количество присутствующего углерода-14 слишком мало для получения точных результатов. Для неорганических материалов и для более старых образцов датирование проводится аналогичным образом с использованием других радиоактивных изотопов с более длительным периодом полураспада. Таких как уран-235, уран-238, рубидий-87, калий-40 и т. д.

Для датирования старых образцов по углероду-14 за точку отсчёта взят 1950 год. Поскольку после этого года в результате ядерных испытаний естественная концентрация углерода-14 в атмосфере удвоилась. Использование более поздних дат в качестве эталона сильно усложнило бы калибровку данных.

Уиллард Франк Либби
Уиллард Либби устанавливает возраст неразорвавшейся петарды. Фото НАСА.

Есть нюансы

Помимо влияния ядерных взрывов на концентрацию углерода-14 в атмосфере, многие другие эффекты тоже могут повлиять на результат датирования по углероду-14.

Например, глобальная циркуляция морских вод с поглощением атмосферного углерода океанами приводит к тому, что углерод, содержащийся в поверхностных водах, кажется примерно на четыреста лет «старше», чем атмосферный. При этом существуют также большие региональные вариации из-за влияния таких факторов, как дождь и опреснение воды реками.

Всё это усложняет, например, датировку костей человека в прибрежных археологических памятниках. Поскольку часть рациона ископаемых особей, а значит, и часть углерода в их тканях имела морское происхождение.

Понятно, что каждый водосбор имеет свой углеродный цикл. В каждом из них концентрация углерода-14 может сильно варьироваться. И зависеть от растворения горных пород и других геохимических и биохимических процессов.

Есть и другие нюансы. Датировка фрагмента древесного угля на месте археологических раскопок указывает не на возраст памятника. А на возраст дерева. Точно так же датировка археологического объекта, сделанного из раковины, даст возраст раковины, а не предмета. Они могут примерно совпадать. А могут принадлежать совсем разным эпохам.

Ну и наконец, есть эффект сжигания ископаемого топлива. Нефть, уголь и природный газ, которые были погребены под землёй миллионы лет, потеряли почти весь свой углерод-14. В них остался только обыкновенный углерод. Выбросы в атмосферу углекислого газа, продукта сгорания угля и нефтепродуктов, серьёзно уменьшили концентрацию атмосферного углерода-14 со времён промышленной революции.

Бесценный инструмент

Хотя глобальный эффект от этого на самом деле невелик, локальные эффекты могут быть вполне ощутимы. Возраст живого куста, растущего возле дороги, по углероду-14 может легко составить более двенадцати тысяч лет. То же самое может произойти и после извержений вулканов с выбросом газов, содержащих углерод.

Но, как мы уже говорили, датирование по углероду-14 может быть откалибровано с помощью других независимых методов. Поэтому, если принять во внимание все вышеперечисленные особенности, его результаты очень надёжны. И являются бесценным инструментом для археологов и палеонтологов.

Закончив, учительница села на стул. Она прикрыла на секунду глаза, и снова открыв их спросила у притихших детей – ещё вопросы есть?

Вопросов больше не было. Стояла полная тишина. И лишь было слышно, что где-то в углу тихо-тихо почему-то плачет, иногда всхлипывая, какая-то девочка…

Понравилась статья? Поделитесь ей в социальных сетях! Огромное спасибо!
Живой Космос
Оставьте комментарий!