Радиоуглеродный анализ: как по углероду-14 определяют возраст находок
Кусок обугленного дерева из раскопа отправляют в лабораторию, и через месяц приходит дата с погрешностью в несколько десятилетий. Объясняем, откуда в живом веществе берётся углерод-14, почему метод работает примерно до пятидесяти тысяч лет, что такое калибровка и где проходят его границы.
Из раскопа достают кусок обугленной балки. Археолог отбирает несколько граммов, упаковывает в фольгу и подписывает слой. Через месяц из лаборатории приходит строка: возраст такой-то, погрешность несколько десятилетий, калиброванный интервал такой-то. По этой строке передвигается датировка всего горизонта, а иногда и представление о том, когда здесь жили люди. Разбираем, что стоит за этой строкой.
Откуда в природе берётся углерод-14
В верхних слоях атмосферы космические лучи выбивают из ядер нейтроны. Нейтрон попадает в ядро азота-14, выбивает протон, и получается углерод-14. Он окисляется до углекислого газа и перемешивается со всей остальной атмосферой. Дальше углерод идёт обычным путём: растения связывают углекислый газ при фотосинтезе, животные едят растения, углерод расходится по всей живой материи. Поэтому в любом живом организме доля углерода-14 примерно такая же, как в атмосфере.
Что происходит после смерти
Живой организм постоянно обменивается углеродом со средой и поддерживает равновесную долю углерода-14. После смерти обмен прекращается. Новый углерод-14 не поступает, а имеющийся распадается, превращаясь обратно в азот-14. Период полураспада составляет около 5700 лет: за это время количество углерода-14 в образце уменьшается вдвое. Измерив, какая доля осталась, можно посчитать, сколько времени прошло с момента гибели организма.
Почему предел примерно пятьдесят тысяч лет
За каждые 5700 лет остаётся половина. Через десять периодов полураспада остаётся меньше одной тысячной исходного количества, и сигнал тонет в фоне и в загрязнениях образца современным углеродом. Практическая граница метода лежит в районе пятидесяти тысяч лет: более древние образцы дают результат вида старше предела измерения. Для дат за этой границей применяют другие изотопные системы с большими периодами полураспада.
| Прошло лет | Осталось углерода-14 | Что это значит для измерения |
|---|---|---|
| около 5700 | половина | Уверенное измерение |
| около 17000 | восьмая часть | Уверенное измерение |
| около 34000 | около шестидесяти четвёртой части | Нужен тщательный отбор и очистка |
| около 50000 | меньше тысячной доли | Граница применимости |
Как измеряют
Исторически первый способ — счёт распадов. Углерод из образца переводят в газ или в жидкий сцинтиллятор и считают редкие импульсы распада в течение суток и дольше. Способ требует граммов углерода и много времени. Современный способ — ускорительная масс-спектрометрия: атомы углерода из образца ионизируют, разгоняют в ускорителе и разделяют по массе, считая сами ядра углерода-14, а не их распады. Нужны миллиграммы вещества и часы вместо недель, поэтому датируют единичное зерно, нитку ткани, частицу пигмента с картины.
Зачем нужна калибровка
Доля углерода-14 в атмосфере не была постоянной: она менялась вместе с интенсивностью космических лучей и активностью Солнца. Поэтому измеренный радиоуглеродный возраст переводят в календарный по калибровочным кривым. Кривые построены по образцам с независимо известным возрастом: годичные кольца деревьев, слои донных отложений, кораллы. После калибровки дата превращается не в точку, а в интервал с вероятностями, и именно так её и следует читать.
Радиоуглеродная дата отвечает на вопрос, когда умер организм, а не на вопрос, когда предмет из него попал в этот слой. Разницу домысливает археолог, а не прибор.
Два техногенных искажения
- Сжигание ископаемого топлива с середины девятнадцатого века выбросило в атмосферу массу углерода, в котором углерода-14 уже не осталось. Атмосфера разбавилась, и образцы того времени выглядят старше.
- Атмосферные ядерные испытания середины двадцатого века резко подняли содержание углерода-14, дав характерный всплеск. Он тоже используется как инструмент: по нему датируют объекты последних десятилетий с точностью до года.
Где метод ошибается
- Загрязнение образца современным углеродом: корешки растений, гуминовые кислоты, клей и консерванты музейной обработки, следы рук.
- Резервуарный эффект: организмы, жившие в воде, получают углерод из растворённых карбонатов, и их даты смещены в сторону большего возраста.
- Собственный возраст древесины: сердцевина бревна старше внешних колец на столетия, и датируется именно она.
- Переотложение: уголь мог попасть в слой позже или раньше самого слоя.
- Малая масса или плохая сохранность органики, из-за чего результат получается с большой погрешностью.
Что означает метод для лаборатории
Углерод-14 — слабый бета-излучатель, его излучение не проходит через лист бумаги, и внешней опасности образец не представляет. Требования возникают из-за другого. Лаборатории, работающие жидкостно-сцинтилляционным счётом, используют стандартные образцы и меченые соединения с углеродом-14, а это открытые радионуклидные источники со своим порядком обращения, учёта и сбора отходов по требованиям 3-ФЗ и санитарных правил. Ускорительная масс-спектрометрия — генерирующая установка, для неё нужны проект защиты и санитарные документы. Методические подходы к датированию и сличения лабораторий координирует в том числе МАГАТЭ, а результаты крупных российских датировок регулярно публикуют научные разделы федеральных СМИ.
Атом-Плюс помогает научным и аналитическим лабораториям выстроить разрешительный контур: определяем, какие установки и вещества у вас относятся к источникам излучения, оформляем санитарные документы и лицензии Ростехнадзора там, где они нужны, ставим учёт открытых радионуклидных источников и схему обращения с отходами. Если ваша лаборатория работает с мечеными соединениями или ускорительной установкой, оставьте заявку в форме ниже.
Фото: KSLwiki24, Wikimedia Commons, CC BY 4.0
