Проблемы радиоуглеродного датирования. Калибровочные кривые, «резервуарный эффект».
Проблемы радиоуглеродного датирования.
Радиоуглеродный метод является одним из методов изотопного датирования, основанного на свойстве элементов образовывать неустойчивые радиоактивные изотопы, со временем переходящие в устойчивые изотопы других элементов. Эти свойства микромира поддаются количественным измерениям на основе различных сложных методик, определяющих степень распада радиоактивных изотопов. Как известно, метод датирования образцов по радиоактивному изотопу С14 был разработан группой ученых во главе с профессором Чикагского университета Виллардом Либби в 1949 г. В 1960 г. В. Либби за свое открытие был удостоен Нобелевской премии по химии.
Физическая сторона процесса образования радиоактивного изотопа С14 связана с облучением верхних слоёв атмосферы Земли космической радиацией. Радионуклид С14 постоянно образуется в атмосфере на высоте 8-18 км при взаимодействии нейтронов космического происхождения с ядрами атмосферного азота. Стабильный изотоп азота N14 под воздействием излучения превращается в изотоп углерода С14. Поскольку углерод-14 радиоактивен, он нестабилен и постепенно превращается в атомы азота-14, из которого он образовался. Подобно обычному углероду, радиоактивный изотоп С14 окисляется в воздухе, образуя радиоактивный углекислый газ (диоксид). Под действием атмосферных потоков радиоактивный диоксид смешивается с обычным атмосферным углекислым газом и неизбежно вовлекается в биохимические процессы всех организмов (фотосинтез, дыхание, потребление пищи, и т.д.). После смерти организмов миграция радиоактивного диоксида прекращается, и накопленный в тканях организма изотоп С14 начинает медленно распадаться. Как и любой радиоактивный изотоп, изотоп С14 со временем преобразуется (распадается) в стабильный изотоп, в данном случае – в изотоп азота N14, первоначальный «строительный материал». Период распада длится несколько десятки тысяч лет, при этом период полураспада хорошо известен и составляет 5730 лет. Именно за это время количество С14 в образцах, выведенных из естественного оборота радиоактивного диоксида, уменьшается вдвое. Распад оставшегося радиоактивного изотопа углерода после периода полураспада существенно замедляется и длится весьма длительное время.
Естественным резервуаром накопления радиоактивного изотопа углерода С14 является атмосфера и гидросфера, вернее, их горизонты, в которых происходят основные процессы жизни на Земле. В результате сложных трофических процессов, радиоактивный углерод попадает практически во все живые организмы, накапливается также в различных минералах и веществах с углеродными соединениями – в древесной и костной золе, нагаре на сосудах, в гумусе почвы, и др. Современные технологии позволяют извлекать необходимые для анализа навески углерода-14 из древней керамики, раковин моллюсков, костных остатков людей и животных, кораллах, морских и озерных отложениях, и пр.
Технология определения возраста образцов с использованием радиоуглеродного метода датирования основана на выделении электрона (отрицательной частицы) в ходе реакции бета-распада, что поддается учету. Для фиксации этого процесса необходимо подсчитать количество атомов С14 в радиоуглеродном диоксиде исследуемого образца, которые все ещё продолжают распадаться. Для этого традиционно используются сцинтилляционные камеры, оборудованные датчиками. После 1965 г. широко используется метод жидкостной сцинтилляции. Полученный из образца углеродосодержащий газ переводят в жидкость на основе бензола и специального сцинтиллятора, затем колбу с этой жидкостью помещают в специально оборудованный счётчик. Сцинтиллятор заряжается энергией высвободившегося электрона и вызывает вспышку света, улавливаемую специальным датчиком. Фотоусилительный датчик отмечает количество радиоактивных распадов за единицу времени, т.е. по интенсивности распада определяет «радиоуглеродный возраст» образца.
В 80-90-е гг. прошлого века был разработан и внедрен AMS-метод датирования, который позволяет оперировать мельчайшими остаточными дозами радиоактивного изотопа углерода, чем продлевает диапазон определений до 30-40 тыс. лет назад, а в случае применения специальных приёмов изотопного обогащения и активации образцов – до 50-60 тыс. лет назад. Метод изотопной масс-спектрометрии основан на измерении концентрации радиоактивного изотопа С14 во всем извлеченном из образца диоксиде при помощи ионизации газа и магнитной камеры. Проходя через камеру на большой скорости, атомы радиоактивного и стабильного изотопа двигаются по разным траекториям, что позволяет количественно оценить удельный вес С14. Этот метод обеспечивает более точное датирование и требует всего несколько миллиграммов образца, но отличается дороговизной и проводится пока только в зарубежных лабораториях. Теоретически, возможности метода позволяют датировать образцы возрастом до 70 тыс. лет, однако практический предел исследований – 50-55 тыс. лет.
Принято исчислять радиоуглеродный возраст образцов от современности (BP – Before Present), при этом точкой отсчета признается 1950 г. – время введения в научную практику радиоуглеродного метода датирования, и одновременно время до массовых испытаний ядерных бомб в атмосфере и гидросфере Земли, что существенно повлияло на радиоактивный фон всей биосферы.
«Конвенционный радиоуглеродный возраст» определяет остаточную активность радиоактивного изотопа углерода и напрямую не связан с календарными историческими событиями. Для этих целей требуется специальная калибровка радиоуглеродных дат (с учетом «резервуарного эффекта», ритмов солнечной активности, изменения геомагнитного поля Земли), которая, как правило, существенно удревняет календарный возраст образцов. Следует учитывать также, что В. Либби определял период полураспада С14 в 5568 лет, а не в 5730 лет, как было установлено последующими исследованиями. Радиоуглеродные даты всегда указываются с допустимой погрешностью, вызванной методом измерени