Что такое радиоуглеродный анализ

Сегодня мы поговорим про радиоуглеродный анализ.
Можно долго спорить (и скорее всего бесполезно, поскольку у каждого своя правда и свои критерии) о том, что является главным открытием XX-го века: полет в космос, транзистор, компьютер, интернет или ядерная бомба. Продолжите список сами.
Но есть еще один пункт, который тоже может побороться за пальму первенства как одно из самых значительных открытий минувшего столетия.
Это радиоуглеродный анализ.
Или радиоуглеродное датирование, что более близко к истине. От слова "дата", хотя как мы увидим, ни о какой точности до года, а уж тем более до дня, и речи быть не может. Научный метод, о котором мы расскажем ниже, стал поистине революционным для археологов, расследователей прошлого, всех, кто по своей профессии, углубляется в историю. Но не было раньше инструмента. Который бы позволил двинуться на тысячи лет назад. Изучать историю с помощью … радиоактивного изотопа. Какое необычное сочетание двух наук, вы не находите ? Как говорят образно – физики и лирики...
Наш сегодняшний "герой": углерод – 14. Надо же. Даже четырнадцатый. Именно благодаря ему проводятся исследования событий прошлых веков и тысячелетий в гидрологии, геофизике, геологии, океанографии, палеоклиматологии и других науках.

Что такое радиоуглеродный анализ ?

Собственно крупными мазками, тезисно, мы уже дали подводку к ответу на этот вопрос. Но будем продвигаться далее в понимании радиоуглеродного анализа, а именно как углерод-14 поможет нам узнать возраст древних объектов, состоящих из самых разных веществ, которые были отмечены или датированы радиоуглеродом: ветки, семена, кости, остатки высохшей крови, кожа, волосы людей, шерсть животных, древесный уголь, древесина, торф, озерная грязь, почва, глиняная посуда, пыльца, настенные росписи, кораллы, смолы, ткани, бумага или пергамент.

Датирование с помощью радиоуглерода возможно по широкому спектру органических и некоторых неорганических материалов, но не применимо например к металлам. Забегая немного вперед, и дадим объяснение этому – потому что металлы не впитывают газы, а именно газообразный оксид радиоуглерода.
Интересно, что радиоуглеродный анализ применим даже для некоторых полимеров, многомеров, пластмасс. Основное условие неизменно – материал должен содержать углерод-14.

Это метод, позволяющий объективно определить возраст материалов на основе углерода. Для этого нужно измерить количество углерода-14, присутствующего в образце, и сравнить его с эталонным стандартом, принятым на международном уровне.

Основные принципы радиоуглеродного анализа

Буквально несколько слов из области химии. Ничего сложного. Мы даже не выйдем здесь за пределы школьной программы.
Итак, для элементов таблицы Менделеева, у которых один и тот же номер, существуют изотопы, которые отличаются разными массовыми числами. Это приводит к тому, что они могут радикально различаться по своим физическим (быть газами, жидкостями или в твердом виде) и химическим свойствам. Некоторые из них могут быть радиоактивными, то есть являться источником ионизирующего излучения.

1. Радиоуглерод (углерод 14) — изотоп углерода, нестабильный и слаборадиоактивный, имеет атомный номер 6 и массовое число 14. Есть и другие изотопы углерода. Например 12 и 13.
2. Соотношение содержания в природе между этими изотопами крайне неравномерное. Особенно если это касается С-14, о котором сегодня идет речь. Если C-12 составляет 98,9 %, C-13 – 1,1 %, то все что осталось (а это 10^-10, то есть практически нечего !) это и есть C-14.
3. C-12 и C-13 стабильны. А вот С-14 образуется в верхних слоях атмосферы (после того как атомы азота-14 сталкиваются с нейтронами космических лучей), окисляется при взаимодействии с атмосферным кислородом и именно это оксид усваивается растениями и животными.

Вот и ответ на вопрос – а откуда этот углерод С-14 берется во всех организмах ? А вот оттуда. Он есть везде. Во всем. Кроме конечно веществ, которые не способны его усвоить физически. Как мы уже сказали, это например металлы.
Хотя, с другой стороны, казалось бы твердые раковины улиток, подлежат определению возраста радиоуглеродным методом, поскольку их материал взаимодействует с радиоуглеродом, включая его в свой состав.
Таким образом, можно сказать, что это самый углерод – 14 буквально вездесущ ? Да, так и есть. Он как воздух. Повсюду.
Растения в процессе фотосинтеза усваивают углерод-14. А они входят в пищевую цепочку людей и животных.

Сейчас соц сети, рекламодатели тайно или явно собирают цифровые отпечатки о каждом человеке, который хоть раз зашел в интернет. Это цифровой портрет. Информация про всех из нас, уже оцифрована и сохранена.
Вот такой же временной меткой является и содержание радиоуглерода.
Поскольку с-14 непрерывно участвует в круговороте углерода в природе, то пока существо живое, у него стабильное содержание в тканях, костях, крови радиоуглерода. Ситуация меняется со смертью.
Содержание радиоуглерода начинает уменьшаться. Почему ? Потому что происходит его распад. Он же радиоактивен ! То есть его масса переходит в энергию. Это еще Эйнштейн открыл в своей знаменитой формуле. И радиоизотоп физически уменьшается в массе. Зная период радиоактивного распада, это раз и исходное содержание содержание С-14 это два, можно определить возраст материала или объекта.
Можно провести аналогию из геометрии. Если мы знаем координаты одной точки (сегодняшнее время) и уравнение прямой (закон распада радиоактивного вещества), можно найти другую точку (возраст).

Однако речь не идет о том, что нужно просто измерить радиацию с помощью соответствующих приборов на основе ионизационной камеры и счетчика гейгера, для проверки окружающего радиационного фона или уровня радиации продуктов питания, стройматериалов и т.д.
Во-первых, никакой опасности предметы древности в части определения их возраста с помощью радиоуглеродного анализа, не представляют. Они не фонят и не могут привести к лучевой болезни (если конечно они не извлечены из радиоактивного могильника).
Во-вторых, для определения возраста потребуется специальная аппаратура и стационарные лабораторные условия.
Существует три основных метода радиоуглеродного датирования, т.е. измерения содержания углерода-14 в любом данном образце: газопропорциональный счет, жидкостный сцинтилляционный счет и ускорительная масс-спектрометрия.
До начала углеродного анализа, тестируемые материалы требует предварительной пробоподготовки, в частности очистки от загрязнений. Отметим, что кричащие ошибки, ставящие под сомнение метод, о которых мы скажем в конце, тоже пытаются объяснить загрязнениями.

А какая точность ?

Ни о каких днях, месяцах и даже годах речь не идет !
Длительность полураспада радиоактивного углерода составляет 5568 лет при погрешности ± 30 лет.
Это меньше, чем например такой же показатель источника рентгеновского излучения – плутония-239, который составляет 24000 лет. Но мы это упомянули в части того, что согласно законам статистики и метрологии, чем больше временной период, чем меньше точность. Это впрочем касается не только радиоуглеродного определения времени, но и например измерительных приборов – чем шире у них диапазон, тем как правило выше погрешность.
Так что отклонение при измерении возраста с помощью радиометрического анализа может составить десятки лет. И с этим приходиться мириться. Что-то лучшее придумали ? И на том, как говориться спасибо. А кому-то кстати, надо сказать это "спасибо" ?

История возникновения метода

После окончания Второй мировой войны, американский физик-химик Уиллард Либби руководил группой ученых, чтобы разработать метод измерения активности радиоуглерода. Именно он вошел в историю, как первооткрыватель, предположивший, что нестабильный изотоп углерода, называемый радиоуглеродом или углеродом-14, может присутствовать в любой живой материи. Идеальная догадка. Научное предвидение.
За это в 1960 году господину Либби была присуждена Нобелевская премии по химии в знак признания его усилий по изучению радиоуглеродного датирования.

Скандалы и сомнения по поводу радиоуглеродного анализа

Да, по человеческим меркам, полураспад 5,5 тыс. лет это много. Но для истории Земли это мгновение. Как секунда для нас.
В 2012-м году был скандал, когда результаты радиоуглеродного анализа показали (это было в Сингапуре), что возраст костей динозавров составил 22-39 тыс. лет, что явно на стыкуется с тем, что нам все эти годы утверждали, что окаменелым останкам многотонных монстров десятки миллионов лет !
Значит или динозавры по меркам истории Земли были вот-вот, совсем рядом, буквально рукой подать по дороге времени или радиоизотопный анализ возраста, как бы это помягче сказать, обманывает ?
В прессу иногда попадают и исследования времени образования нефти, которой как оказывается совсем не миллионы лет.

• Но возвращаясь к динозаврам, существуют и другие неудобные вопросы. Кроме самих костей, на них обнаружены следы тканей, из которых даже выделяют ДНК. А также связки, кровеносные сосуды. Это совершенно невозможно, если бы костям было 50-100 млн. лет. За такой бы период и пыли от них не осталось.
• Если же опять вернуться к нашей теме, то даже за 1 млн. лет, учитывая относительно “быструю” скорость распада С-14, этого самого углерода и вовсе бы не осталось в костях динозавров.

Между прочим, даже Википедия четко говорит о том, что предельный возраст для определения радиоуглеродным анализом составляет 55000 лет !
Так что дальше дотянуться в прошлое и определить возраст материалов не возможно ? Ну почему же. Ради справедливости и полноты надо признать, что существуют и другие методы, которые охватывают гораздо более долгие периоды - длительностью в миллионы и даже сотни миллионов лет. Например возраст горных пород определяется ураново-свинцовым методом. Настоящая находка для геологов. Тем более, что погрешность не превышает 0,2 %. Метод принципиально похожий - основан на полураспаде урана, период которого составляет 4,46 млрд. лет. Цифра, между прочим соизмеримая со временем образования Земли.