Радиоуглеродный метод датирования

Dimas | 30 марта 2008 г. |

Интересно | 26929 просмотров | 13 баллов ?

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 (¹⁴С) 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 (¹⁴N) в атмосфере подвергается действию космических лучей, превращающих его в изотоп углерода ¹⁴C, который имеет период полураспада 5730±40 лет. Живые организмы в процессе жизнедеятельности усваивают атмосферный углерод, накапливая в свох тканях некоторое количество ¹⁴C, который, затем, постепенно распадается (предполагается, что после гибели организма новых поступлений ¹⁴C в ткани нет). Исследователю достаточно знать, сколько в среднем ¹⁴C 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 - ¹²C (98,89%) и ¹³С (1,11%). Кроме того, на Земле имеются следовые количества нестабильного изотопа ¹⁴С (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 + ¹⁴₇N → ¹⁴₆C + p

Наибольшее количество ¹⁴С 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" ¹⁴Спроисходит примерно с постоянной скоростью, и содержание ¹⁴С в атмосфере примерно постоянна (600 млрд. атомов ¹⁴С на моль).

Полученный углерод быстро окисляется до ¹⁴СО₂ и в дальнейшем усваивается растениями и микроорганизмами, поступая в дальнейшем в пищевую цепь других организмов. Таким образом, каждый живой организм постоянно получает определённое количество ¹⁴С в течение всей жизни. Как только он погибает, такой обмен прекращается, и накопленный ¹⁴С постепенно распадается в реакции бета-распада:

¹⁴₆C →¹⁴₇N + e^-+v_e

Испуская электрон и антинейтрино, ¹⁴С превращается в стабильный азот.

В 1958 году Хессел де Врайс (Hessel de Vries) доказал, что концентрация ¹⁴С 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 ¹⁴СО2 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 ¹⁴С, что делает радиоуглеродный метод гораздо менее надёжным для данного вида материалов.

Вычисление возраста

Распад ¹⁴С 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 = С₀е^{-t / T}

где С₀ - 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 ¹⁴С) будет выражаться формулой:

t_РВ = -t_1/2 * log₂ (C / C₀)

Измерения и шкалы

Традиционные методы подсчёта оставшегося в образцах материала ¹⁴С основаны на подсчёте количества всё ещё распадающихся атомов (методы газовой и жидкостной сцинтилляции, основанные на прямом подсчёте "вспышек", порождаемых распадами отдельных атомов ¹⁴C 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).

Когда различные авторы апеллируют к весьма ненадёжной и недостоверной информации, получаемой радиоуглеродным методом, прежде всего имеются ввиду традиционные методы подсчёта 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 ¹⁴С. Подсчитав соотношение слабо отклонившихся и сильно отклонившихся молекул, можно определить, какова концентрация ¹⁴С в образце с высокой точностью. Этот метод позволяет датировать образцы с массой всего несколько миллиграммов в диапазоне до 60 000 лет (данные 2005 года).

В настоящее время большинство лабораторий даёт статистическую погрешность ±30 лет в диапазоне возрастов до 3000 лет, на более длинные периоды эта погрешность возрастает (до 500 лет для возрастов порядка 50 000 лет). Обратите внимание, что речь идёт о радиоуглеродном возрасте, а не об абсолютном возрасте образца!

Калибровка

Как было неоднократно сказано, данный метод существенным образом зависит от предположения, что содержание ¹⁴С в атмосфере примерно постоянно. Однако на практике это не так. Уровень ¹⁴С 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 ¹⁴C 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 ¹⁴С 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 ¹⁴С, 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 ¹⁴С 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) Problems in Radiocarbon Dating at Teotihuacan, American Antiquity 31, 427–430.
Lerman, J. C., Mook, W. G., Vogel, J. C., and de Waard, H. (1969) Carbon-14 in Patagonian Tree Rings. Science, 165:1123-1125.
Колчин Б.А., Шез Ю.А. Проблемы абсолютного археологического датирования, Москва, Наука, 1972.
Bowman, S. (1990) Interpreting the Past: Radiocarbon Dating, University of California Press, ISBN 0-520-07037-2.
Stuiver, M., Reimer, P. J. and Braziunas, T. F. (1998) High-Precision Radiocarbon Age Calibration for Terrestrial and Marine Samples. Radiocarbon 40, 1127-1151.
Pennicott, K., Carbon clock could show the wrong time, PhysicsWeb, 10 May 2001.
Currie, L. (2004) The Remarkable Metrological History of Radiocarbon Dating II, J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol., 109, 185–217
Taylor, R. E.; John Southon (2007). "Use of natural diamonds to monitor ¹⁴C AMS instrument backgrounds". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 259: 282-287. doi:10.1016/j.nimb.2007.01.239.

Респект тем, кто дочитал :)

Поделитесь с друзьями:

Смотрите также:

датирование радиоуглеродный метод хронология

{Оставить комментарий}

Вспомнилась одна история из "Века криминалистики" Торвальда. В ней страниц на 30 рассказывалась история про одну женщину-убийцу, которую обвиняли в отравлении чуть ли не 15 человек мышьяком. Применялся в том числе и радиоуглеродный анализ. Но физик, не имея опыта, выдал неверные результаты, которые адвокат (умудрившийся разобраться в основах атомной физики) сумел опровергнуть.
Потом попытались найти дозу яда через накопление мышьяка в теле. То есть установить, сколько мышьяка содержалось в тканях отравленных по отношению к количеству мышьяка "нормальных" покойников. И тут обнаружился сюрприз: микроорганизмы, разлагающие тело, оказались способными переносить мышьяк, причем в невероятных дозах.
Более того, один экспериментатор отравил собаку мышьяком и закопал ее на кладбище, где хоронили всех покойников (дело было в небольшом городке). Когда труп собаки через два года выкопали и исследовали, в ней не обнаружили ни грамма мышьяка!
Словом, даже научные, проверенные методы не всегда дают истину в последней инстанции.

Радиоуглеродный метод датирования

Смотрите также:

датирование радиоуглеродный метод хронология

{Оставить комментарий}

Комментарии:

{Оставить комментарий}