Метод радиоуглеродного датирования

14.09.2012

Радиоуглеродное датирование - это метод определения возраста биогенных углеродсодержащих материалов посредством измерения содержания в них радиоактивного изогона углерода 14С.
Метод был предложен американским физико-химиком У.Ф. Либби в 1950 г.
Радиоактивный изотоп 14С постоянно образуется в атмосфере Земли при бомбардировке ее потоками космических частиц. Проникая в верхние слои атмосферы, космические частицы высоких энергий расщепляют находящиеся там атомы, высвобождая протоны, нейтроны и другие частицы. Образующиеся нейтроны поглощаются атомами азота, которые в изобилии находятся в атмосфере, в результате чего образуются радиоизотоп 14С и протон

Образование радиоактивных нуклидов углерода из атмосферного азота под воздействием космических лучей протекает со средней скоростью 2,4 атома в секунду в расчете на каждый см2 земной поверхности в верхних слоях атмосферы на высотах от 8 до 18 км. Радиоуглерод окисляется в воздухе с образованием диоксида углерода 13CO2. Под воздействием воздушных потоков радиоактивный диоксид углерода постоянно перемещается я равномерно распределяется в атмосфере и, наряду с 12СО2, включается в биогео-химические циклы. Растения поглощают радиоуглерод в форме диоксида и превращают его в процессе фотосинтеза и органические вещества. Подобная убыль радиоуглерода ил атмосферы полностью восполняется космогенной наработкой этого радионуклида. Интенсивность образования космогенного радиоуглерода условно считается постоянной, так как по крайней мере последние 20 тыс. лет содержание углерода в атмосфере и интенсивность нейтронных потоков на Землю существенно не изменялись. Это означает, что в атмосфере содержится постоянное равновесное количество 14С.
Радиоуглерод из растений по трофическим цепям поступает в организм животных и человека. Таким образом, все растительные и животные ткани содержат 14С.
После отмирания организмы теряют способность поглощать радиоуглерод. В мертвых органических тканях происходят внутренние изменения, в том числе и распад радионуклидов 14С со скоростью, соответствующей периоду полураспада 14С - 5730 лет - и с образованием 14N. Содержание изотопа 14С в образце можно сопоставить с кривой радиоактинного распада и установить промежуток времени, прошедший с момента гибели организма (его выключения из круговорота углерода). Другими словами, под радиоуглеродным возрастом подразумевается время, прошедшее с момента выхода объекта из «обменного фонда» до момента измерения 14С в образце. Необходимо, однако, отметить, что на протяжении последних 50 тыс. лет (ресурс метода радиоуглеродного датирования) содержание радиоуглерода в живых тканях не претерпевало изменений и составляло около 0,24 Бк/г углерода.
Реализация метода радиоуглеродного датирования связана с определенными трудностями. Это обусловлено рядом причин и, прежде всего, очень небольшим содержанием радиоактивного углерода в атмосфере. Углерод на Земле представлен тремя изотопами: 12С, 13С и 14С. Их природные концентрации сильно различаются: 12С составляет 98.9 от всего углерода, 13С - 1,1%, а радиоактивный углерод 14С составляет совершенно ничтожную (10в-12) часть от современного запаса углерода Земли.
Существует несколько способов измерения содержания радиоуглерода в исследуемом материале. Один из них - прямое определение активности этого радионуклида по потоку (β-частиц, образующихся при распаде 14С, при помощи счетчика Гейгера-Мюллера). Время определения при этом составляет несколько суток, так как за сутки происходит распад всего лишь около четверти миллионной доли содержащегося в образце количества атомов 14С. Большой помехой для этого способа измерения является естественная радиация (естественный радиационный фон). Для снижения скорости счета фона до минимума применяют защиту из железа или свинца (автор метода У.Ф. Либби использовал ртутную защиту и проводил измерения глубоко под землей) и экранирование рабочего счетчика системой счетчиков Гейгера- Мюллера, которые устраняют фоновые сигналы.

С середины 1960-х гг. широкое распространение для определения активности 14С получил жидкостно-ецинтилляционный метод. Сцинтилляционный метод требует тщательной пробоподготовки образцов, так как углерод пробы необходимо превратить в углерод очень насыщенного этим элементом вещества - бензола. Для этого углерод образца превращают в Диоксид углерода. который реагирует с расплавленным литием, образуя карбид лития. При взаимодействии карбида лития с водой образуется ацетилен, который под действием катализатора превращается в бензол

Другой - масс-спектрометрический метод (АМС-датировка) - позволяет выявить в образце все атомы с массой 14; при помощи особого фильтра разделяют 14С и 14N. Этот метод требует сложной и дорогостоящей масс-спектрометрической аппаратуры.
В настоящее время метод радиоуглеродного датирования широко применяют в археологии и в науках о Земле, в частности в почвоведении.
В нефти, каменном угле и других остатках очень древнего происхождения весь 14С уже почти полностью распался, но для сравнительно нестарых археологических находок (в диапазоне от I до 50 тыс. лет) этим методом вполне возможно определить их возраст по оставшейся радиоактивности. Так, например, методом радиоуглеродного датирования был установлен возраст стоянок древних викингов, побывавших на Американском континенте задолго до X. Колумба, и таких объектов, как свитки Мертвого моря, мумии и пр. Он также применяется для экспертной оценки, например при определении происхождения сырья для производства этилового спирта (нефтепродукты или современное растительное сырье).
Радиоуглеродный метод используют и для определения среднего «возраста» гумуса (термин «возраст» здесь не совсем корректен; скорее, это среднее время пребывания углерода в составе органического вещества почвы). При оценке этого показателя, который принято обозначать как MRT (от англ. mean resident time - среднее время пребывания, СВП; среднее время нахождения углерода в составе гумуса), получены значения в интервале 100-300 лет в верхних слоях дерново-подзолистых почв. В нижних горизонтах величина MRT обычно выше, например 300-500 лет. Еще более высокие значения определены в черноземах - около 1000 лет. а в органическом веществе торфяников - до 2-25 тыс. лет.
Меньшее содержание 14С в гумусе нижних слоев почвы в данном случае не означает, что эти слон древнее. Их возраст скорее соответствует абсолютному возрасту гумуса всего профиля, так как к нижних слоях находится биологически «инертный» углерод, который вышел из круговорота углерода, тогда как верхние слои содержат биологически активный, постоянно обновляющийся углерод. Большие значения возраста гумуса черноземов но сравнению с дерново-подзолистыми почвами также отражают не абсолютный возраст, а большую устойчивость гумуса черноземов и большую лабильность гумуса дерново-подзолистых почв.
Методом радиоуглеродного датирования можно также оценивать степень гумификации поступающего в почву органического вещества и степень минерализации гумуса.
В настоящее время метод радиоуглеродного датирования подвергается серьезному критическому анализу. Основные причины для этого - обнаруженные флуктуации интенсивности космических лучей; зависимость интенсивности нейтронного потока от солнечной активности и, следовательно, возможное непостоянство содержания 14С в атмосфере; неравномерное перемешивание радиоактивного диоксида углерода в атмосфере; снижение соотношения 14С:12С в атмосфере в результате массового сжигания ископаемого топлива; возрастание содержания 14С в атмосфере в результате испытаний ядерного оружия.
Подобные сомнения, однако, не исключают метод радиоуглеродного датирования из списка способов определения возраста объектов, а лишь, снижают точность полученных с его помощью результатов. По последним данным, метод обладает точностью ±1000-2000 лет и непригоден для датировки исторических образцов возрастом 2000 лет и менее.
Однако, по всеобщему мнению специалистов, метод радиоуглеродного датирования остается самым точным для определения возраста древних исторических объектов, особенно если он включает соответствующие способы коррекции и сочетается с другими методами определения (дендрохронология и пр.).
1. Изотопно-индикаторный метод (метод меченых атомов) - одни из основных инструментов современной науки http://handcent.ru/, сыгравший большую роль в развитии ее фундаментальных и прикладных разделов.
2. Принцип изотопно-индикаторного метода состоит во включении в объект исследования некоторого количества индикаторных изотопов (радиоактивных или стабильных), исхода из посылки, что свойства и поведение разных изотопных форм одного вещества являются полностью идентичными.
3. Радиоизотопное мечение заключается во введении в объект (систему) очень небольшого, «индикаторного» количества радиоактивного вещества в форме, содержащей изотоп того же элемента (собственно «изотопная» метка), или элемента - химического аналога («изоморфная» метка), или же изотопа постороннего элемента при соблюдении условия строгого следования метки за своим носителем - объектом исследования. Использование стабильных изотопов предполагает некоторое изменение изотопного состава вещества, а не полную замену «обычных» изотопов на «необычные».
4. Важным ограничением применимости метода изотопных индикаторов является отсутствие или слабое проявление на уровне естественных флуктуации специфических эффектов - изотопного, радиационного и эффекта изотопного обмена.
5. Изотопно-индикаторный метод обладает целым набором достоинств и преимуществ. Это единственный метод, позволяющий напрямую прослеживать процессы трансформации и транспорта веществ.
6. Наиболее перспективными направлениями использования изотопно-индикаторного метода в агрономии, почвоведении и экологии являются следующие: исследование корневого питания растений, состояния и поведения элементов минерального питания в почвах: исследование трансформационных и миграционных составляющих биогеохимических циклов органического вещества (углерода и азота), типоморфных и биофильных элементов; изучение поведения токсикантов наземных и сельскохозяйственных экосистемах. В настоящее время для реализации этих задач выпускают необходимую изотопную продукцию.
7. Корректная интерпретация результатов изотопно-индикаторных методов в области биологических и агрономических дисциплин, почвоведения и экологии требует учета результатов изучения кинетики изотопного обмена в исследуемых системах. Необходимо различать переход метки, обусловленный процессами трансформации и транспорта, от перехода, обусловленного изотопным обменом.
8. Применение изотопно-индикаторного метода дало возможность существенно уточнить значения коэффициентов использования для азота и фосфора минеральных и органических удобрений, детализировать представления о миграционной способности различных соединений железа и фосфора в почвах, скоростях деструкции и миграции значительной группы пестицидов, тяжелых металлов и других токсикантов, изучить скорости и механизмы трансформации органических веществ в почве в процессах их минерализации и гумификации. Полученные результаты можно эффективно использовать для оптимизации состояния элементов минерального питания в почвах и охраны окружающей среды.
9. Радиоуглеродное датирование, основанное на определении содержания оставшегося в биогенных образцах 14С. является эффективным методом установления возраста древних (до 50 тыс. лет) исторических объектов. Метод применим для оценки возраста и интенсивности изменения почвенного углерода и гумуса.