Радиоуглеродный метод

Изменение атмосферной концентрации изотопа ¹⁴C, вызванное ядерными испытаниями. Синяя линия обозначает естественную концентрацию

Радиоуглеродный метод абсолютной геохронологии применяется для датирования новейших отложений (до 60-80 тыс. лет) с высоким содержанием органического материала, биологических останков, предметов и материалов биологического происхождения путём измерения соотношения содержания в материале радиоактивного изотопа углерода ¹⁴С. Предложен Уиллардом Либби в 1946 году, получившим позднее за этот метод Нобелевскую премию по химии в 1960 году.

Радиоактивный изотоп углерода ¹⁴C образуется в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки ядер азота нейтронами космических лучей (а также других источников радиации): ¹⁴N+n→¹⁴C+p. Углерод ¹⁴С окисляется до ¹⁴СO₂ и распространяется в атмосфере. Растения используют ¹⁴СO₂ в ходе фотосинтеза наравне с обычным углекислым газом. В результате соотношение ¹⁴C/¹²C в живых организмах оказывается таким же, как в атмосфере (порядка 10^–12). После смерти организма приток углерода в него прекращается (система становится условно замкнутой), и начинается неуклонное экспоненциальное снижение соотношения ¹⁴C/¹²C за счет распада радиоактивного изотопа ¹⁴C.

Радиоактивный ¹⁴C испытывает бета-распад с периодом полураспада 5730±40 лет. Зная исходное соотношение содержания изотопов в организме и измерив их текущее соотношение в образце, можно определить, сколько углерода-14 распалось и, таким образом, установить время, прошедшее с момента гибели организма.

Концентрация радиоуглерода (Δ¹⁴С - отклонение от уровня международного стандарта радиоуглерода) в образцах долгоживущих деревьев известного возраста, измеренная с высокой точностью в блоках древесины по 10-летиям за 4500 лет.

Изначально предполагалось, что соотношение изотопов углерода в атмосфере во времени и пространстве не меняется, а содержание изотопов в живых организмах в точности соответствует текущему состоянию атмосферы. На самом деле, содержание изотопа ¹⁴C зависит от радиационной обстановки, которая меняется во времени из-за колебания уровня солнечной радиации, и в пространстве, вследствие неодинакового распространения радиоактивных веществ на поверхности Земли и событий, связанных с радиоактивными отходами и испытаниями ядерного оружия (например, в настоящее время в образование изотопа ¹⁴C до сих пор вносят свой вклад радиоактивные материалы, которые образовались и были рассеяны при испытаниях ядерного оружия в атмосфере в середине XX века). Соотношение ¹⁴C/¹²C зависит и от общей концентрации СO₂ в атмосфере, которая также не является постоянной. Все эти естественные колебания, однако, не очень велики по амплитуде и с определенной степенью точности могут быть учтены. Таким образом, полученный в результате радиоуглеродный возраст до процедуры калибровки не является абсолютным. Детальными исследованиями получена калибровочная кривая, позволяющая переводить радиоуглеродные годы в абсолютные.

На сегодняшний день на историческом интервале (от десятков лет до 60—70 тысяч лет) радиоуглеродный метод можно считать достаточно надёжным и качественно откалиброванным независимым методом датирования предметов органического происхождения. Единственной его проблемой является загрязнение образцов посторонним углеродом.

Технология датирования

Радиоуглеродным методом датируются почвы, торфы, угли, раковины моллюсков, кости и другие объекты органического происхождения.

Количество изотопа ¹⁴C может быть получено непосредственно из образца при помощи масс-спектроскопии, выявляющий все атомы массой 14, при этом могут использоваться крайне малые навески (до 1 мг). Специальный фильтр позволяет отличить ¹⁴C и ¹⁴N. Этот метод также называется AMC-датировкой. Он требует сложных высокочувствительных приборов, которыми обладает мало лабораторий и институтов.

Традиционный радиоуглеродный метод требует длительной подготовки образцов. В первую очередь, образец должен быть очищен от более молодых (например, корни деревьев) или более древних (обломки карбонатных пород и др.) источников углерода. Также образец промывается кислотным или щелочным раствором для удаления посторонних источников углерода, попавших в образец. Из костей путем разложения в HCl выделяется коллагеновая фракция, датировка по которой считается наиболее точной, т.к. карбонаты кости могут замещаться на более молодые при захоронении.

Наиболее точными являются датировки метода жидкостной сцинтилляции измерения активности ¹⁴С. Для этого метода из образца получают бензол (C₆H₆). В бензол добавляют специальное вещество – сцинтиллятор, – которое заряжается энергией электронов, высвобождающихся при распаде ¹⁴С. Сцинтиллятор почти сразу испускает накопленную энергию в виде фотонов света. Свет можно улавливать с помощью фотоумножительной трубки. В сцинтилляционном счетчике имеются две такие трубки. Ложный сигнал можно выявить и исключить, как посланный лишь одной трубкой. Для изоляции счетчиков от фонового излучения, их помещают в свинцовый кожух, толщиной несколько сантиметров.

Процесс получения бензола происходит в несколько стадий. Вначале, образец очищается и обугливается. Обугленный образец при температуре около 800 °С в специальном реакторе спекается в атмосфере аргона с литием с получением карбида лития: 2С+2Li→Li₂C₂. Затем, полученный карбид лития заливается водой с получением ацетилена: Li₂C₂+2H₂O→C₂H₂↑+2LiOH. Далее ацетилен тримеризуется в присутствии катализатора (активированный уголь) в бензол: 3C₂H₂→C₆H₆.

Источники и ссылки

Дергачев В.А. Радиоуглеродный хронометр. // "Природа", 1994, № 1, с. 3-15 (html)
Радиоуглеродный анализ (статья в русской Википедии)
Марков А. Хронология далекого прошлого. // elementy.ru
Левченко В. Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему.