Що таке радіовуглецевий аналіз

Сьогодні ми поговоримо про радіовуглецевий аналіз.
Можна довго сперечатися (і швидше за все марно, оскільки у кожного своя правда та свої критерії) про те, що є головним відкриттям XX-го століття: політ у космос, транзистор, комп'ютер, інтернет чи ядерна бомба. Продовжуйте список самі.
Але є ще один пункт, який також може поборотися за пальму першості як одне з найзначніших відкриттів минулого століття.
Це радіовуглецевий аналіз.
Або радіовуглецеве датування, що ближче до істини. Від слова "дата", хоча як ми побачимо, ні про яку точність до року, а тим більше до дня, і мови бути не може. Науковий метод, про який ми розповімо нижче, став воістину революційним для археологів, розслідувачів минулого, всіх, хто за своєю професією, заглиблюється в історію. Але не було раніше інструменту. Який би дозволив рушити на тисячі років тому. Вивчати історію за допомогою … радіоактивного ізотопу. Яке незвичайне поєднання двох наук, ви не знаходите? Як кажуть образно – фізики та лірики...
Наш сьогоднішній "герой": вуглець – 14. Оце так. Навіть чотирнадцятий. Саме завдяки йому проводяться дослідження подій минулих століть та тисячоліть у гідрології, геофізиці, геології, океанографії, палеокліматології та інших науках.

Що таке радіовуглецевий аналіз ?

Власне великими мазками, тезово, ми вже дали підведення до відповіді це питання. Але будемо просуватися далі в розумінні радіовуглецевого аналізу, а саме як вуглець-14 допоможе нам дізнатися вік стародавніх об'єктів, що складаються з різних речовин, які були відзначені або датовані радіовуглецем: гілки, насіння, кістки, залишки висохлої крові, шкіра, волосся людей, вовна тварин, деревне вугілля, деревина, торф, озерний бруд, грунт, глиняний посуд, пилок, настінні розписи, корали, смоли, тканини, папір або пергамент.

Датування за допомогою радіовуглецю можливе за широким спектром органічних і деяких неорганічних матеріалів, але не застосовується, наприклад, до металів. Забігаючи трохи вперед і дамо пояснення цьому – тому що метали не вбирають гази, саме газоподібний оксид радіовуглецю.
Цікаво, що радуовуглецевий аналіз можна застосувати навіть для деяких полімерів, багатомірів, пластмас. Основна умова незмінна – матеріал повинен містити вуглець-14.

Це метод, що дозволяє об'єктивно визначити вік матеріалів на основі вуглецю. Для цього потрібно виміряти кількість вуглецю-14, що є в зразку, і порівняти його з еталонним стандартом, прийнятим на міжнародному рівні.

Основні принципи радіовуглецевого аналізу

Буквально кілька слів з галузі хімії. Нічого складного. Ми навіть не вийдемо тут за межі шкільної програми.
Отже, для елементів таблиці Менделєєва, у яких один і той же номер, існують ізотопи, які відрізняються різними масовими числами. Це призводить до того, що вони можуть радикально відрізнятися за своїми фізичними (бути газами, рідинами або у твердому вигляді) та хімічними властивостями. Деякі з них можуть бути радіоактивними, тобто є джерелом іонізуючого випромінювання.

1. Радіовуглець (вуглець 14) — ізотоп вуглецю, нестабільний та слаборадіоактивний, має атомний номер 6 та масове число 14. Є й інші ізотопи вуглецю. Наприклад 12 та 13.
2. Співвідношення вмісту в природі між цими ізотопами є вкрай нерівномірним. Особливо якщо це стосується С-14, про який сьогодні йде мова. Якщо C-12 становить 98,9%, C-13 – 1,1%, то все, що залишилося (а це 10^-10, тобто практично нічого !) це і є C-14.
3. C-12 та C-13 стабільні. А ось С-14 утворюється у верхніх шарах атмосфери (після того, як атоми азоту-14 стикаються з нейтронами космічних променів), окислюється при взаємодії з атмосферним киснем і саме це оксид засвоюється рослинами та тваринами.

Ось і відповідь на запитання – а звідки цей вуглець С-14 береться у всіх організмах? А ось звідти. Він є скрізь. У всьому. Крім звичайно, речовин, які не здатні його засвоїти фізично. Як ми вже сказали, це, наприклад, метали.
Хоча, з іншого боку, здавалося б тверді мушлі равликів, підлягають визначенню віку радіовуглецевим методом, оскільки їх матеріал взаємодіє з радіовуглецем, включаючи його до свого складу.
Таким чином, можна сказати, що це самий вуглець – 14 буквально всюди ? Так і є. Він як повітря. 
Рослини у процесі фотосинтезу засвоюють вуглець-14. А вони входять у харчовий ланцюжок людей та тварин.

Сьогодні соціальні мережі, рекламодавці таємно або явно збирають цифрові відбитки про кожну людину, яка хоч раз зайшла в інтернет. Це цифровий портрет. Інформація про всіх з нас вже оцифрована та збережена.
От такою ж тимчасовою міткою є і вміст радіовуглецю.
Оскільки С-14 безперервно бере участь у кругообігу вуглецю в природі, то поки істота жива, у неї стабільний вміст у тканинах, кістках, крові радіовуглецю. Ситуація змінюється зі смертю.
Вміст радіовуглецю починає зменшуватися. Чому? Тому що відбувається його розпад. Він же радіоактивний! Тобто його маса перетворюється на енергію. Це ще Ейнштейн відкрив у своїй знаменитій формулі. І радіоізотоп фізично зменшується у масі. Знаючи період радіоактивного розпаду, це раз і вихідний зміст змісту С-14 це два, можна визначити вік матеріалу або об'єкта.
Можна провести аналогію із геометрії. Якщо ми знаємо координати однієї точки (сьогодні) і рівняння прямої (закон розпаду радіоактивної речовини), можна знайти іншу точку (вік).

Однак не йдеться про те, що потрібно просто виміряти радіацію за допомогою відповідних приладів на основі іонізаційної камери та лічильника гейгера, для перевірки навколишнього радіаційного фону або рівня радіації продуктів харчування, будматеріалів тощо.
По-перше, ніякої небезпеки предмети давнини щодо визначення їх віку за допомогою радіовуглецевого аналізу, не представляють. Вони не фонують і не можуть призвести до променевої хвороби (якщо, звичайно, вони не витягнуті з радіоактивного могильника).
По-друге, для визначення віку знадобиться спеціальна апаратура та стаціонарні лабораторні умови.
Існує три основні методи радіовуглецевого датування, тобто вимірювання вмісту вуглецю-14 у будь-якому даному зразку: газопропорційний рахунок, рідинний сцинтиляційний рахунок та прискорювальна мас-спектрометрія.
До початку вуглецевого аналізу, матеріали, що тестуються, вимагають попередньої пробопідготовки, зокрема очищення від забруднень. Зазначимо, що кричущі помилки, які ставлять під сумнів метод, про які ми скажемо наприкінці, теж намагаються пояснити забрудненнями.

А яка точність ?

Про жодні дні, місяці і навіть роки не йдеться!
Тривалість напіврозпаду радіоактивного вуглецю становить 5568 років при похибці ± 30 років.
Це менше, ніж такий самий показник джерела рентгенівського випромінювання – плутонію-239, що становить 24000 років. Але ми це згадали в частині того, що згідно із законами статистики та метрології, чим більший тимчасовий період, чим менша точність. Це втім стосується не тільки радіовуглецевого визначення часу, а й, наприклад, вимірювальних приладів – чим ширше вони мають діапазон, тим зазвичай вище похибка.
Отже, відхилення при вимірі віку за допомогою радіометричного аналізу може становити десятки років. І з цим доводиться миритися. Щось краще придумали? І на тому, як кажуть дякуємо. А комусь до речі, треба сказати це "дякуємо" ?

Історія виникнення методу

Після закінчення Другої світової війни американський фізик-хімік Віллард Ліббі керував групою вчених, щоб розробити метод вимірювання активності радіовуглецю. Саме він увійшов в історію, як першовідкривач, який припустив, що нестабільний ізотоп вуглецю, званий радіовуглецем або вуглецем-14, може бути присутнім у будь-якій живій матерії. Ідеальна здогад. Наукове передбачення.
За це в 1960 році пану Ліббі було присуджено Нобелівську премію з хімії на знак визнання його зусиль з вивчення радіовуглецевого датування.

Скандали та сумніви щодо радіовуглецевого аналізу

Так, за людськими мірками, напіврозпад 5,5 тис років це багато. Але для історії Землі це мить. Як секунда для нас.
У 2012-му році був скандал, коли результати радіовуглецевого аналізу показали (це було в Сінгапурі), що вік кісток динозаврів склав 22-39 тис. років, що явно не збігається з тим, що нам всі ці роки стверджували, що скам'янілим останкам багатотонних монстрів десятки мільйонів років!
Значить або динозаври за мірками історії Землі були ось-ось, зовсім поруч, буквально рукою подати по дорозі часу або радіоізотопний аналіз віку, як би це пом'якше сказати, обманює?
У пресу іноді потрапляють і дослідження часу утворення нафти, якій виявляється зовсім не мільйони років.

• Але повертаючись до динозаврів, є й інші незручні питання. Крім самих кісток, виявлено сліди тканин, у тому числі з яких навіть виділяють ДНК. А також зв'язки, кровоносні судини. Це неможливо, якби кісткам було 50-100 млн. років. За такий би період і пилу від них не залишилося б.
• Якщо знову повернутися до нашої теми, то навіть за 1 млн. років, враховуючи відносну швидкість розпаду С-14, цього самого вуглецю і зовсім не залишилося б у кістках динозаврів.

До речі, навіть Вікіпедія чітко говорить про те, що граничний вік для визначення радіовуглецевим аналізом становить 55000 років!
Так що далі дотягнутися до минулого і визначити вік матеріалів неможливо? Ну чому ж. Заради справедливості та повноти треба визнати, що існують й інші методи, які охоплюють набагато довші періоди – тривалістю у мільйони і навіть сотні мільйонів років. Наприклад вік гірських порід визначається ураново-свинцевим методом. Справжня знахідка для геологів. Тим паче, що похибка вбирається у 0,2 %. Метод принципово схожий - заснований на напіврозпаді урану, період якого становить 4,46 млрд. років. Цифра, між іншим порівнянна з часом утворення Землі.