Радіовуглецеве датування C14

Історична довідка

Радіовуглецевий метод має суттєвий вплив на розвиток різних галузей науки - від ядерної фізики до криміналістики, але в першу чергу геології і археології. У березні 1949 року була опублікована стаття, в якій обгрунтовується принцип роботи даного методу. Його автори - науковці з Університету Чикаго (США) Віллард Ф. Ліббі, Ернст С. Андерсон і Джеймс Р. Арнольд - показали, що можуть визначити вік геологічних або історичних подій, які мали місце не тільки сотні і перші тисячі років тому, але і аж до 40-50 тис. років тому. При цьому запропонований метод мав достатньо високою точністю і був абсолютно незалежний від інших технологій, які застосовувались в той час в науках. Можна без перебільшення сказати, що радіовуглецевий метод справив справжню революцію в уявленнях про час в науковому знанні.

Перші радіовуглецеві датування були отримані Уіллардом Ліббі (Willard Libby) в 1949 році в Чикаго Університеті (University of Chicago). Слід підкреслити, що це стало можливим завдяки багаторічним зусиллям досить великого колективу, який працював під керівництвом У. Ліббі в різних областях науки. Так, можливість перетворення атмосферного азоту при його бомбардуванні нейтронами в ізотоп вуглецю 14C була передбачена теоретично ще в середині 30-их років XX століття. У лабораторних умовах така реакція була проведена в 1940 році, приблизно в цей же час в верхніх шарах атмосфери були зареєстровані нейтрони, що народжуються під впливом космічного випромінювання. Таким чином, один з основних принципів радіовуглецевого датування - 14C утворюється у верхніх шарах атмосфери під дією космічних променів - був сформульований вже до початку сорокових років XX століття. Подальші роботи в цьому напрямку були перервані Другою світовою війною, під час якої У. Ліббі брав участь в Манхеттенський проект. Після війни було виміряно період напіврозпаду радіовуглецю і розроблені методи визначення його активності в тканинах рослин і тварин. Справа в тому, що співвідношення 14C з іншими ізотопами вуглецю в атмосфері становить всього лише один з 1 012 атомів. Відповідно і активність, обумовлена ​​радіовуглець, теж дуже низька.

Відразу після перших робіт У.Ф. Ліббі і його колег Американська антропологічна асоціація і Геологічна суспільство США створили спеціальну комісію для оцінки перших результатів радіовуглецевого датування, яка в 1951 р прийшла до висновку про надійність отриманих даних і їх відповідності існуючої наукової парадигми. Наукове співтовариство з ентузіазмом сприйняла новий дослідницький підхід і стало активно використовувати його при вивченні минулого Землі і людства; на багато років метод став провідним у визначенні віку тих чи інших об'єктів. З середини 1950-х років радіовуглецевий метод поширився по всьому світу.

Одним з напрямків радіовуглецевих досліджень, важливим для всіх наук, в 1960-2000-х роках стала калібрування 14С-дат. Необхідність калібрування викликана тією обставиною, що кількість ізотопу 14С в атмосфері, гідросфері і біосфері не залишалося постійним (як вважали спочатку У.Ф. Ліббі і його колеги), а змінювалося під впливом ряду зовнішніх умов, головне з яких - коливання в недавньому геологічному минулому активності космічних променів, які продукують радіовуглець. Отже, залежність між 14С і календарним віком не є лінійної. Вплив цього фактору, ускладнює переклад радіовуглецевого віку в астрономічні (календарні) дати. В даний час подолана для відрізка часу від наших днів до 20 000 років тому; успішно ведуться роботи по складанню графіків перерахунку 14С-дат в календарні аж до межі чутливості радіовуглецевого методу (близько 45 000-50 000 14С років).

Основи радіовуглецевого методу

У природному середовищу Землі хімічний елемент вуглець складається з трьох ізотопів: двох стабільних - 12С і 13С і одного радіоактивного - 14С, або радіовуглецю. Ізотоп 14С постійно утворюється в стратосфері Землі в результаті бомбардування атомів азоту нейтронами, що входять до складу космічних променів. Протягом декількох років "новонароджений" 14С поряд зі стабільними ізотопами 12С і 13С потрапляє в кругообіг вуглецю Землі в атмосфері, біосфері і гідросфері. Поки організм знаходиться в стані обміну речовин з навколишнім середовищем (наприклад, дерево отримує вуглець у вигляді вуглекислого газу з атмосфери в результаті фотосинтезу), зміст 14С в ньому залишається постійним і знаходиться в рівновазі з концентрацією даного ізотопу в атмосфері. Коли організм відмирає, обмін вуглецем з зовнішнім середовищем припиняється; вміст радіоактивного ізотопу починає зменшуватися, так як вже немає припливу "свіжої" 14С ззовні. Радіоактивний розпад будь-якого елементу відбувається з постійною швидкістю, яка дуже точно визначена. Так, для ізотопу 14С період напіврозпаду становить близько 5730 років. Отже, знаючи початкову кількість 14С в організмі по відношенню до стабільних ізотопів 12С та 13С в стані рівноваги (коли організм живий) і зміст 14С в копалин залишках, можна встановити, скільки часу пройшло з моменту смерті вуглецевмісної субстанції.

Іншими словами, знаходячи в природі і на поселеннях стародавньої людини залишки рослин і тварин, а також деякі інші речовини, що містять вуглець, можна за допомогою радіовуглецевого методу визначити, скільки часу пройшло з моменту припинення життя організму , тобто встановити вік даних об'єктів. А це, в свою чергу, означає, що можна відповісти на одвічне запитання геологів і археологів: як давно існував даний організм або стародавнє поселення?

Відомо, що хімічний елемент вуглець входить до складу практично всієї живої матерії, а також в багато речовини з розряду неживих (тобто створених без участі живих організмів). Таким чином, радіовуглецевий метод справді універсальний. З його допомогою визначається вік цілого ряду об'єктів, які можна умовно розділити на наступні групи: "геологічні" -карбонатні опади океанів і прісноводних водойм, крижані керни, метеорити; "Біологічні" - деревина і деревне вугілля, насіння, плоди і гілочки рослин, торф, грунтовий гумус, пилкові зерна, залишки комах і риб, кістки, рогу, бивні, зуби, волосся, шкіра і шкура хребетних тварин і людини, копроліти; "Антропогенні" - палені кістки, кераміка, кричний метал, пригорілі залишки їжі, сліди крові на стародавніх інструментах, тканини, папірус, пергамент і папір. У деяких випадках, наприклад, для вивчення коливань змісту 14С залежно від сонячної активності, вимірюється його активність в таких "екзотичних" об'єктах, як вина, віскі та коньяки.

Застосування радіовуглецевого методу

Археологія та четвертинна геологія були і залишаються головними областями використання радіовуглецевого методу. В археології застосування незалежного способу визначення віку стало воістину революційним і в значній мірі змінило існуючі археологічні концепції. Проводити серйозні археологічні роботи без застосування радіовуглецевого датування в даний час неможливо. Тепер поряд з аналізом "рутинних" об'єктів, до яких можна віднести деревину, деревне вугілля та кістки, все частіше проводиться визначення віку таких непридатних в недалекому минулому матеріалів, як окремі насіння і плоди рослин, текстиль, жирні кислоти (ліпіди) у стародавній кераміці та сама кераміка, залишки крові на кам'яні знаряддя, наскальний живопис.

Відомі датування

Найбільшою популярністю користується Туринська плащаниця. Широко відомо, що датування проводилися на прискорювальних мас-спектрометрах в трьох найвідоміших лабораторіях (в Оксфорді, Цюріху та Туссон), які отримали подібні результати: з імовірністю 95% матеріал плащаниці був зроблений в інтервалі від 1260 до 1390 року. Значно менше відомо, що поряд із зразками плащаниці, в лабораторіях аналізувалися три інших зразка тканин (плащ Людовика IX, зроблений між 1240 і 1270 рр, саван з єгипетського поховання, витканий близько 1100 роки, і тканину, укутують єгипетську мумію, що датується приблизно 200 роком ). У всіх трьох випадках отримані в лабораторіях датування збіглися з вихідними даними.

Дослідження залишків "Ноєвого ковчега" на горі Арарат показало вік всього 1200-1400 років, а не як мінімум 5000 років відповідно до біблійної хронології.

Серед найбільш відомих артефактів, вік яких був визначений радіовуглецевим методом, слід згадати Кумранські сувої і кілька ранніх рукописів Корану. У всіх цих випадках датування підтвердили автентичність документів.

Велику популярність придбав Тірольський крижана людина або Еці, мумія, виявлена ​​в льодовику на півночі Італії в 1991 році. Ідеальна збереження мумії дозволила провести безліч досліджень, що стосуються антропологічних та історичних питань. радіовуглецевого датування показало, що Еці жив 3300 -3000 років до н. е. Відзначимо, що у вічній мерзлоті Сибіру і Аляски було знайдено кілька майже цілих мумій мамонтів, бізонів, коней і навіть один ховрах. Всі ці знахідки відразу ж ставали об'єктами комплексного вивчення зоологів, ботаніків, генетиків і, звичайно ж, фахівців в області радіовуглецевого датування.

Важливо привести і приклад іншого роду, коли предметом датування стає не окремий артефакт або унікальна знахідка, а великомасштабна подія. Таким було виверження вулкана на острові Терра або Санторіні. Можливо, що відгомони цього виверження потрапили в Біблію під виглядом страт єгипетських. Традиційно, ця подія відноситься до 1500 року до н. е. Однак аналіз численних (понад 150) радіовуглецевих датувань різноманітних матеріалів зі східного Середземномор'я, асоційованих зі слідами виверження і викликаного ним цунамі, включаючи і гілка оливи, похованих безпосередньо попелом, відсуває дату більш ніж на сто років назад, в кінець XVII століття до н. е.

Основні обмеження методу

Основні обмеження методу обумовлені походженням датуються матеріалів і тимчасовим діапазоном, в якому він діє. Будь-радіометричний метод визначення віку працює як годинник. Уявіть собі, що ви заводите механічний годинник, з цього моменту, поки не скінчиться завод, вони будуть показувати правильний час. У разі радіовуглецевого датування нам потрібен матеріал, який до певного часу обмінюється вуглецем з навколишнім середовищем. Необхідно, щоб після певного моменту цей обмін припинився, тоді природний розпад 14C буде мірою часу, що пройшов з моменту припинення обміну. Ідеально підходять під ці умови все живі організми: до моменту загибелі концентрація радіовуглецю в них відповідає концентрації цього ізотопу в атмосфері. Потім обмін припиняється, і годинник починає працювати. Таким чином, радиоуглеродная датування визначає час загибелі організму, і це теж одне з обмежень методу -уявіть собі артефакт, зроблений з чогось, що має рослинне (наприклад, тканину або дерево) або тварина (скажімо, кістка) походження і передавався з покоління в покоління. Радіовуглецеве датування покаже час загибелі рослини чи тварини, а не час спорудження пам'ятника, в якому цей артефакт був знайдений. Цю особливість методу добре розуміють експерти-мистецтвознавці, для яких датування дошки або полотна не служив остаточним підтвердженням справжності ікони або картини.

Крім об'єктів органічного світу тільки деякі досить екзотичні матеріали можуть бути використані для радіовуглецевого датування. Наприклад, при будівництві будинків і фортець широко використовувалася негашене вапно (CaO). З'єднавшись з водою і атмосферним вуглекислим газом вона перетворюється в карбонат кальцію, міцно скріплюючи каміння. У цьому випадку обмін з атмосферним вуглекислим газом припиняється після затвердіння будівельного розчину, що дозволяє визначити час зведення даного будови.

Що стосується тимчасового діапазону, то "завод" радіометричних годин кінчається після 13 періодів напіврозпаду даного ізотопу, що в разі радіовуглецевого методу складає близько 70 тисяч років. Слід зазначити, що яким би спосіб не вимірювалося зміст 14C, для зразків віком менше 300 років невизначеність вимірювань буде досить велика, тому в таких випадках цей метод як правило не використовується. Виняток становлять зразки, що відносяться до другої половини XX століття. В результаті наземних ядерних випробувань зміст 14C в атмосфері збільшилася майже вдвічі. Це дозволяє відрізнити, скажімо, вино або віскі 1963 роки від більш молодих аналогів.

Матеріал придатний для радіовуглецевого аналізу

Методичні основи радіовуглецевого датування полягають в тому, що 14C утворюється у верхніх шарах атмосфери і відразу ж включається до складу молекул вуглекислого газу. Отже, можна визначити вік тільки тих об'єктів, які так чи інакше пов'язані з атмосферним CO2. Перш за все, це будь-які живі організми. Рослини і багато бактерії в процесі фотосинтезу будують з атмосферного вуглекислого газу складні органічні молекули, які служать основою життя для всіх інших організмів. Це означає, що можна датувати власне вуглець будь-якого живої істоти. Слід, однак, враховувати, що за тисячоліття, що минули з часу укладання даного зразка колись живої матерії, весь його вуглець міг замістити іншими елементами або повністю розкластися. Це нерідко відбувається з древніми об'єктами. Зрозуміло, що в таких випадках датування неможлива.

Біогенний вуглець зберігається в озерних і болотних відкладеннях, в печерах і річкових наносах, в археологічних пам'ятках, навіть в пустельному засмагу - тонкій плівці, покриваючу поверхню каменів. Вік деяких об'єктів неорганічного світу також можна визначити шляхом радіовуглецевого датування.

У зразках льоду з антарктичних і гренландських льодовиків містяться бульбашки повітря, захоплені в момент замерзання води. Це повітря відповідає складу атмосфери в момент утворення льоду. Зараз активно проводяться різноманітні дослідження газів з таких бульбашок. Вони вже принесли багато цікавих результатів. Тут же згадаємо, що вік деяких зразків був успішно визначений шляхом датування вуглекислого газу. Таким же чином, виміром активності радіовуглецю CO2, можна визначати вік грунтових і океанічних вод. Це дозволило реконструювати зміни кількості опадів, що випадали в Сахарі, досліджувати швидкість обміну вуглекислим газом між атмосферою і океаном і т.д.

Зміст вуглецю в різних біологічних об'єктах сильно коливається. Наприклад, датування деревини проводяться в основному по целюлозі, а кісткових залишків по колагену. При цьому целюлоза складає близько 40% маси деревини, тоді як колаген - близько 20% маси кісток. По-друге, збереження матеріалу залежить від кліматичних факторів і умов поховання об'єкта. Залишки рослин і тварин, виявлені у вічній мерзлоті або в насичених водою відкладеннях, містять набагато більше вуглецю, ніж подібні об'єкти з, скажімо, грунтів середньої смуги Росії. Нарешті, в кожній лабораторії свої вимоги до кількості датованого матеріалу, так як використовувані прилади різні.

За матеріалами інтерв'ю Я.В. Кузьміна і Б. Ф. Хасанова.