Радиоуглеродный анализ

Радиоуглеродный анализ — разновидность радиоизотопной датировки, применяемая для определения возраста биологических останков, предметов и материалов биологического происхождения путём измерения содержания в материале радиоактивного изотопа 14C по отношению к стабильным изотопам углерода.

Радиоуглеродный метод датирования возраста образцов веществ органического происхождения на данный момент является основным для геологии, археологии, палеонтологии. Основателем метода является Ф.В.Либи, предложивший данный способ датирования образцов в 1946 году, продемонстрировав его на образцах дерева уже известного возраста.

Принципы, заложенные в его основу.

Идеи метода опираются на существование в природе нескольких изотопов углерода: стабильных C12 (98,9%), C13 (1,1%) и радиоактивного C14 (1.07*10-10%). Период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет, что в геологическом смысле означает весьма быстрый распад. Поэтому если бы этот изотоп образовался в период зарождения планеты, то его следы было бы сейчас найти практически невозможно. Наличие его в любых органических веществах подтверждает существование постоянного процесса образования C14.

Процесс образования:

  Рис.1

 1: Образование радиоуглерода 14C.

2: Распад 14C.

3: Условие равновесия  для живых организмов и неравновесие  для умерших организмов, в которых  радиоуглерод распадается без пополнения извне.

Образование радиоактивного изотопа углерода. 
Углерод-14 образуется в атмосфере в результате космического излучения (солнечного ветра). В результате бомбардировки нейтронами находящегося в атмосфере в больших количествах азота, происходит реакция синтеза .

Нейтрон включается в состав атома азота, в результате чего образуется неустойчивая система, через короткий промежуток времени выбрасывающая из себя протон. Таким образом образуется изотоп углерода-14. Обладая теми же химическими свойствами, что и обычный стабильный углерод, C14 включается в состав органических веществ в процессе жизнедеятельности - животные и растения потребляют его вместе с воздухом и органическими веществами. Изотоп этот радиоактивен, и спустя какое-то время (может, через секунду, но вероятнее всего - через несколько тысяч лет) атом распадется, выбросив из себя электрон (бета-частицу) и антинейтрино, и превратится обратно в азот-14.

Так как всякий живой организм находится в процессе непрерывного обмена органики, то соотношение изотопов в живом организме должно примерно соответствовать текущему природному фону. После гибели же существа, такой процесс останавливается, и углерод-14 начинает убывать. Процесс этот случайный, подчиняющийся статистике - в одном грамме углерода, полученного из свежесрубленного дерева происходит в среднем 15.3 распада за минуту. За 5730 лет половина атомов распадется. Таким образом, проанализировав соотношение изотопов углерода в образце органики, можно сделать выводы о примерной дате, когда живое существо погибло.

Есть два принципиально различных метода радиоуглеродного датирования. Можно либо измерять радиоактивность 14C в образцах с помощью разнообразно устроенных счётчиков, либо непосредственно определять содержание этого изотопа на ускорительном масс-спектрометре (УМС). Предельный возраст образцов в первом случае обусловлен характеристиками используемой установки – начиная с некоторого значения, активность образца уже достоверно не отличается от фонового излучения

Определение количества атомов углерода-14 в образце по одному из методов производится следующим образом:

1. образец сжигается, что  бы получить чистый углерод

2. измеряется интенсивность  излучения бетта частиц в образце

3. по интенсивности излучения  делается вывод о текущем количестве  атомов углерода-14 в образце

4. вычисляется соотношение  изотопов

5. вычисляется период  времени, который должен был пройти  с момента образования вещества.

.Метод даст тем более точные результаты, чем больше исходного вещества уничтожается в результате исследования, и чем больший период времени образец исследуется.

Рис. 2 ГРАФИК ПЕРЕВОДА ИЗОТОПНОГО ВОЗРАСТА ОБРАЗЦА В ИСТОРИЧЕСКИЙ

Допущения радиоуглеродного метода

1. Предполагается, что количество образуемого углерода не меняется со временем. Это означает, что поток нейтронов в космическом излучении остается неизменным тысячи лет.

2. В атмосфере земли не было и нет источников нерегулярного выброса углерода-14/нейтронов.

3. Соотношение количества изотопов углерода не зависит от географического расположения местности, в которой образовалось вещество.

4. Соотношение количества изотопов углерода в различных живых организмах соответствует его содержанию в атмосфере

5. Загрязнение образцов

Аппаратура для проведения радиоуглеродных исследований.

Для проведения радиоуглеродных исследований потребовались сложные приборы, создание которых было важнейшей частью становления метода. К ним относятся: сеточно-стенной счётчик Гейгера-Мюллера с твёрдым углеродом как носителем 14С (У.Ф. Либби, конец 1940-х годов); пропорциональный газовый счётчик (используется с 1950-х годов); жидкостно-сцинтилляционный счётчик – наиболее распространённый сегодня тип прибора (используется с 1960-х годов); ускорительный масс-спектрометр.

 

Рис. 3. Ускорительный масс-спектрометр Университета Аризоны (г. Тусон, штат Аризона, США) производства компании National Electrostatics Corporation: а – схема, б – пульт управления и источник ионов С¯, в – ускорительный танк, г – детектор изотопов углерода. Фото Дж.С. Бурра

УМС-аппаратура – самая высокотехнологичная, сложная и дорогостоящая. Несмотря на это, число УМС-лабораторий в мире непрерывно растёт. На рисунке 3 – УМС-установка Университета Аризоны с рабочим напряжением 3 млн. эВ [10]. Вкратце принцип её работы (рис. 3, а) можно описать следующим образом: отрицательные ионы углерода С¯ (включающие и изотоп 14С), получаемые в ионном источнике (рис. 3, б), разгоняются в ускорительном танке (рис. 3, в) и поступают на измерение их количества в детекторе (рис. 3, г). После этого можно установить число атомов 14С в образце и, зная их изначальное количество (измеренное для «современных» образцов различных материалов), определить возраст очень небольших образцов (вплоть до 0.1 мг углерода и менее). Данный метод обладает одним несомненным преимуществом: для получения радиоуглеродной даты необходимо примерно в 1000 раз меньше углерода, чем при использовании «традиционных» жидкостно-сцинтилляционного и пропорционального газового методов; в остальном (нижняя граница чувствительности, требования к отбору образцов, их подготовка и др.) метод УМС мало чем от них отличается.

Экспериментальная проверка метода в целом дала большой ряд совпадений с результатами других исследований, хотя и сбои далеко не редки. Достаточно большая погрешность обнаруживается при измерении образцов, возраст которых менее одной-двух тысяч лет либо более 40-50 тысяч. При этом при изучении "молодых" остатков влияние оказывает антропогенный фактор - произведенные взрывы в атмосфере атомных зарядов, увеличивающееся количество выбросов в атмосферу нефтепродуктов, содержащих в себе реликтовый углерод. С древними же останками проблемы заключаются в мизерных количествах оставшегося нераспавшегося углерода-14. Тем не менее, метод радиоуглеродного анализа на сегодняшний день дает весьма адекватную привязку к периоду образования исследуемых веществ.

 

Литература

http://antropogenez.ru/interview/357/

http://hist.asu.ru/metod/arch/t1.html

http://vokrugsveta.com/index.php?option=com_content&task=view&id=704&Itemid=60      -

http://www.apologetica.ru/kniga2/Radiouglerodnyi_metod_oshibaetsya.html

http://art-con.ru/node/3800

http://antropogenez.ru/article/373/

http://kladina.narod.ru/hancock2/prilozhenie_2_3.htm

 

http://oko-planet.su/science/sciencediscussions/192682-naskolko-tochen-radiouglerodnyy-metod-datirovaniya.html

http://www.zakrest.ru/2012/09/radioc.html