Оренбургский государственный университет
Радиоуглеродный метод датирования
Гребенщикова Т.А.
г. Оренбург
Радиоуглеродный метод датирования - один из наиболее эффективных методов, заключающийся в датировании биологических останков, предметов и материалов биологического происхождения путём измерения содержания в материале радиоактивного изотопа 14C по отношению к стабильным изотопам углерода. Он дает результат с минимальной погрешностью.
Углерод - один из основных составляющих биологических организмов, в земной атмосфере он присутствует в виде изотопа 12С, 13С и радиоактивного изотопа 14С. Радиоактивный углерод имеет период полураспада 5700±30 лет, а также его содержание в организме биологического существа и атмосфере достаточно мало, что их можно считать равными. Пока биологический объект живет, он постоянно обменивается с атмосферой углеродом, после смерти объекта обмен прекращается, а значит мы можем определить время смерти путем радиоуглеродного анализа [1].
Суть метода заключается в определении содержания радиоактивного углерода в исследуемом образце. Зная исходное соотношение изотопов углерода, определяют время, прошедшее с момента смерти организма [1].
Стабильные изотопы 12С и 13С образовались вместе со всеми остальными атомами, из которых состоит наша планета. Изотоп 14С образуется в микроскопических количествах в результате ежедневной бомбардировки солнечной атмосферы космическими лучами. При соударении с определенными атомами космические лучи разрушают их, в результате чего нейтроны этих атомов переходят в свободное состояние в земной атмосфере.
Изотоп 14С образуется, когда один из таких свободных нейтронов сливается с ядром атома азота. Далее атомы 14С, образовавшиеся с постоянной скоростью, подвергаются окислению и проникают в биосферу в процессе фотосинтеза и естественной цепочки питания
14С претерпевает в?-распад, в результате распада образуется стабильный нуклид 14N (выделяемая энергия 156,476кэВ):
Скорость распада не зависит от химических и физических свойств окружения. Грамм атмосферного углерода содержит около 1,5Ч10?12 г 14C и излучает около 0,6 бета-частиц в секунду за счёт распада этого изотопа. Следует отметить, что с этой же скоростью 14C распадается и в человеческом теле; каждую секунду в организме человека происходит несколько тысяч распадов. Ввиду малой энергии образующихся бета-частиц мощность эквивалентной дозы внутреннего облучения, получаемого по этому каналу (0,01 мЗв/год, или 0,001 бэр/год), невелика по сравнению с мощностью дозы от внутреннего 40К (0,39 мЗв/год). Средняя удельная активность 14C живой биомассы на суше в 2009 году составляла 238 Бк на 1 кг углерода, близко к значениям до бомбового пика (226 Бк/кг C; 1950). Бета частицы можно регистрировать с помощью счетчиков. Таким образом, измеряя количество бета частиц можно определить содержание радиоактивного углерода [1].
В организмах всех живых существ отношение изотопов 12С и 14C равно атмосферному отношению этих изотопов в их географическом регионе и поддерживается скоростью их метаболизма. После смерти организмы перестают накапливать углерод, и поведение изотопа 14C с этого момента становится интересным [2]. Было установлено, что за 5700 лет распадется половина 14C, вторая половина распадется еще через 5700 лет.
Отсюда следует, что первоначальное отношение изотопов 12С и 14C является геологической постоянной, возраст образца можно определить, измерив количество остаточного изотопа 14C. К примеру, если в образце присутствует некоторое первоначальное количество 14C, значит, дата смерти организма определяется двумя периодами полураспада (5700 + 5700), что соответствует возрасту 11 400 лет [3].
В этом заключается основной принцип радиоуглеродной датировки как инструмента археологии. Радиоуглерод абсорбируется в биосфере; он прекращает накапливаться со смертью организма и распадается с определенной скоростью, которую можно измерить, т.е. мы получаем «часы», которые начинают идти с момента смерти организма. [1]
Мартин Камен и Сэмюэль Рубен в 1939 году начали эксперименты, по определению нахождения в органических веществах изотопов с периодами полураспада, достаточными для представления ценности в биомедицинских исследованиях. Синтезировав 14С с использованием лабораторного циклотронного ускорителя было обнаружено, что период полураспада атома намного дольше, чем предполагалось ранее. С.А. Корф предсказал, что в верхних слоях атмосферы создается 14С путем взаимодействия тепловых нейтронов с 14N. На основе предсказаний Корфа в 1945 году Уиллардом Либби было задумано, что для датирования можно использовать радиоуглеродный метод [2].
В чикагском университете в 1945 году Уилардом Либби была организована группа, которая начала работу по радиоуглеродному методу датирования. Уже в 1946 году была опубликована работа, где говорилось, что углерод в живом веществе может включать 14С, а также нерадиоактивные углерод. В 1947 году в журнале Science была опубликована статься, где обобщались все наблюдения, также в статье было отмечено, что их результаты подразумевают датирование материалов органического происхождения [2]. датирование ископаемый радиоактивный изотоп
Либби и Джеймс Арнольд в качестве подтверждения своей теории датирования проанализировали образцы с известным возрастом. Это были два образца, взятые из могил двух царей Джосера и Снофру. Независимо друг от друга останки приурочены к 2625 году до нашей эры с погрешностью в 75 лет, результаты радиоуглеродного анализа показали дату 2800 год до нашей эры с погрешностью в 250 лет. Результаты эксперимента были опубликованы в 1949 году в журнале Science. В 1960 году Уилард Либби получил Нобелевскую премию в области химии [2].
После опубликования последней статьи в течение 11 лет в мире было создано 20 лабораторий радиоуглеродного анализа. В настоящее время в России действуют 7 лабораторий, три находятся в Москве - в Геологическом институте РАН, Институте географии РАН, Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН; три в Санкт-Петербурге - в Институте истории материальной культуры РАН, Санкт-Петербургском государственном университете и ВСЕГЕИ; одна в Новосибирске - в Институте геологии и минералогии СО РАН [3].
Радиоуглеродный метод можно провести разными способами на простом и дорогостоящем оборудовании. 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 (УМС).
УМС-аппаратура - самая высокотехнологичная, сложная и дорогостоящая. Несмотря на это, число УМС-лабораторий в мире непрерывно растёт. В Англии издается специализированный журнал «Radiocarbon», в котором публикуются последние открытия и исследования, связанные с радиоуглеродным методом.
Оренбуржье богато на ископаемые как археологические, так и геологические. Для того, чтобы построить причинно-следственные связи - необходимо упорядочить во времени найденные ископаемые. Для установления даты смерти биологического объекта необходимо провести ряд исследований.
В Оренбурге в ОГУП существует школа Археологии Южного Урала, Студенты проходят практику на археологических раскопках в Оренбургской области. Все находки представлены в учебно-методическом кабинете. Руководителем школы является доктор исторический наук профессор Моргунова Н.Л.
На физическом факультет ОГУ в лаборатории на кафедре общей физики есть лабораторная установка для регистрации в-частиц, образующихся в результате в-распада - радиометр Б-2, в котором используется пропорциональный газовый счетчик Гейгера. Предлагается использовать эту установку для радиоуглеродной датировки археологических и природных образцов Оренбуржья.
Целью нашей работы является оценка возможностей лабораторного оборудования ОГУ для применения радиоуглеродного анализа для простых и сложных объектов, содержащих углерод.
Автор благодарна научному руководителю д.ф.-м.н. В.Л. Бердинскому за постановку задачи.
Список литературы
1. Вагнер, Г.А, Научные методы датирования в геологии, археологии и истории / Г.А, Вагнер - Москва, "Техносфера", 2006 г. с. 176.
2. Libby, W.F, Age determination by radiocarbon content: world-wide assay of natural radiocarbon/ E.C, Anderson, J.R, Arnold, // Science. V. 109, №2827, P. 227-228, 1949.
3. Чичагова, О.А, Радиоуглеродное датирование: прошлое, настоящее, будущее - Развитие идей И.П. Герасимова / О.А. Чичагова, Э.П. Зазовская - Москва, Бюллетень почвенного института им. В.В. Докучаева, выпуск 81, 2015 г.