Просмотр кода страницы Радиоуглеродный анализ

[[Файл:Radiocarbon bomb spike.svg|thumb|right|Изменение атмосферной концентрации радиоуглерода <sup>14</sup>C, вызванное ядерными испытаниями. Синим показана естественная концентрация]]
'''Радиоуглеро́дный ана́лиз''' — разновидность [[Радиоизотопное датирование|радиоизотопной датировки]], применяемая для определения возраста биологических останков, предметов и материалов биологического происхождения путём измерения содержания в материале радиоактивного [[изотоп]]а [[Углерод-14|<sup>14</sup>C]] по отношению к стабильным [[изотопы углерода|изотопам углерода]]. Предложен [[Либби, Уиллард Франк|Уиллардом Либби]] в [[1946 год]]у ([[Нобелевская премия по химии]], [[1960]]).

== Физические основания ==
{{Главная|Углерод-14}}

[[Файл:Carbon 14 formation and decay.svg|right|thumb| 1: Образование радиоуглерода <sup>14</sup>C. <br> 2: Распад <sup>14</sup>C. <br> 3: Условие равновесия для живых организмов и неравновесие для умерших организмов, в которых радиоуглерод распадается без пополнения извне]]

[[Углерод]], являющийся одной из основных составляющих биологических организмов, присутствует в земной атмосфере в виде стабильных [[Изотопы углерода|изотопов]] [[Углерод-12|<sup>12</sup>C]] (98,89 %) и [[Углерод-13|<sup>13</sup>C]] (1,11 %) и радиоактивного <sup>14</sup>C, который присутствует в следовых количествах (около 10<sup>−10</sup>%). Изотоп <sup>14</sup>C постоянно образуется в основном в верхних слоях [[Атмосфера Земли|атмосферы]] на высоте {{nobr|12—15 км}} при столкновении вторичных [[нейтрон]]ов от [[космические лучи|космических лучей]] с ядрами атмосферного азота:

: <math>n + \mathrm{^{14}_{7}N} \rightarrow \mathrm{^{14}_{6}C} + p.</math>

В среднем в год в атмосфере Земли образуется около {{nobr|7,5 кг}} радиоуглерода при общем его количестве {{nobr|~75 тонн}}.

Образование радиоуглерода вследствие естественной радиоактивности на поверхности Земли пренебрежимо мало.

Радиоизотоп углерода <sup>14</sup>C подвержен [[бета-распад|{{math|β<sup>−</sup>}}-распаду]] с [[Период полураспада|периодом полураспада]] {{nobr|{{math|''T''<sub>1/2</sub>}} {{=}} 5730 ± 40 лет}}<ref>{{статья |заглавие=Half-life of radiocarbon |издание=Nature |том=195 |номер=4845 |страницы=984 |doi=10.1038/195984a0 |bibcode=1962Natur.195..984G |язык=en |автор=Godwin, H. |год=1962 }}</ref>, постоянная распада {{nobr|{{math|λ}} {{=}} 1,209·10<sup>−4</sup> год<sup>−1</sup>}}:

: <math>\mathrm{^{14}_{6}C}\rightarrow\mathrm{^{14}_{7}N}+ e^- + \bar{\nu}_e.</math>

Соотношение радиоактивного и стабильных изотопов углерода в атмосфере и в биосфере примерно одинаково из-за активного перемешивания атмосферы, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене, получая углерод из окружающей среды, а изотопы, в силу их химической неразличимости, участвуют в биохимических процессах практически одинаковым образом.

[[Активность радиоактивного источника|Удельная активность]] углерода в живых организмах, обменивающихся углеродом с атмосферным резервуаром, соответствует атмосферному содержанию радиоуглерода и составляет {{nobr|13,56 ± 0,07 распада}} в минуту на грамм углерода. С гибелью организма углеродный обмен прекращается. После этого стабильные изотопы сохраняются, а радиоактивный (<sup>14</sup>C) постепенно распадается, в результате его содержание в останках постепенно уменьшается. Зная исходное соотношение содержания изотопов в организме и определив их текущее соотношение в биологическом материале [[Масс-спектрометрия|масс-спектрометрическим методом]] или измерив активность методами дозиметрии, можно установить время, прошедшее с момента гибели организма.

== Применение ==
Для определения возраста из фрагмента исследуемого образца выделяется углерод (путём сжигания предварительно очищенного фрагмента), для выделенного углерода производится измерение радиоактивности, на основании этого определяется соотношение изотопов, которое и показывает возраст образцов. Образец углерода для измерения активности обычно вводится в газ, которым наполняется [[пропорциональный счётчик]], либо в жидкий [[сцинтиллятор]]. В последнее время для очень малых содержаний <sup>14</sup>C и/или очень малых масс образцов (несколько мг) используется [[ускорительная масс-спектрометрия]], позволяющая прямо определять содержание <sup>14</sup>C. На 2010 год предельный возраст образца, который может быть точно определён радиоуглеродным методом — около 60 000 лет, то есть около 10 периодов полураспада <sup>14</sup>C. За это время содержание <sup>14</sup>C уменьшается примерно в 1000 раз (около 1 распада в час на грамм углерода).

Измерение возраста предмета радиоуглеродным методом возможно только тогда, когда соотношение изотопов в образце не было нарушено за время его существования, то есть образец не был загрязнён углеродосодержащими материалами более позднего или более раннего происхождения, радиоактивными веществами и не подвергался действию сильных источников радиации. Определение возраста таких загрязнённых образцов может дать огромные ошибки. За прошедшие с момента разработки метода десятилетия накоплен большой опыт в выявлении загрязнений и в очистке от них образцов. Для датирования из образцов химическими методами выделяют наименее подверженные загрязнению компоненты. При радиоуглеродном анализе растительных остатков используется [[целлюлоза]], а при датировании костей, рогов и других животных остатков выделяется [[коллаген]]. Погрешность метода в настоящее время находится в пределах от семидесяти до трёхсот лет.

Один из наиболее известных случаев применения радиоуглеродного метода — исследование фрагментов [[Туринская плащаница|Туринской плащаницы]], проведённое в [[1988 год]]у, одновременно в нескольких лабораториях [[слепой метод|слепым методом]]. Радиоуглеродный анализ позволил датировать плащаницу периодом [[XI]]—[[XIII век]]а. Скептики считают такой результат подтверждением того, что плащаница — средневековая подделка. Сторонники же подлинности реликвии считают полученные данные результатом загрязнения плащаницы углеродом при пожаре и последующей стирке в кипящем масле в XVI веке.

== Калибровка ==
[[Файл:Radiocarbon dating calibration.svg|thumb|right|Калибровочная кривая 1998 года, использовавшаяся при радиоуглеродном датировании (Stuiver et al. 1998<ref name=IntCal98>{{статья |заглавие=High-precision radiocarbon age calibration for terrestrial and marine samples |издание=Radiocarbon |том=40 |страницы=1127—1151 |ссылка=http://depts.washington.edu/qil/datasets/uwten98_14c.txt |язык=en |тип=journal |автор=Stuiver M., Reimer P. J., Braziunas T. F. |год=1998}}</ref>)]]
[[Файл:Intcal 13 calibration curve.png|thumb|right|Уточнённая калибровочная кривая 2013 года IntCal13 для диапазона 0—50000 лет [[до настоящего времени]], северное полушарие (Reimer et al. 2013<ref name=IntCal13>{{статья |заглавие=IntCal13 and Marine13 Radiocarbon Age Calibration Curves 0—50,000 Years cal BP |издание=Radiocarbon |том=55 |страницы=1869—1887 |ссылка=http://researchcommons.waikato.ac.nz/handle/10289/8955 |doi=10.2458/azu_js_rc.55.16947 |язык=en |тип=journal |автор=Reimer PJ et al. |год=2013}}</ref>)]]
Исходные предположения Либби, на которых строится метод радиоуглеродного датирования, заключаются в том, что соотношение изотопов углерода в атмосфере во времени и пространстве не меняется, а содержание изотопов в живых организмах в точности соответствует текущему состоянию атмосферы. Однако, как было установлено в дальнейшем, эти предположения справедливы лишь приблизительно. Содержание изотопа <sup>14</sup>C в атмосфере зависит от многих факторов, таких как:
* интенсивность космических лучей и активности [[Солнце|Солнца]];
* широта местности;
* состояние атмосферы и магнитосферы;
* вулканическая деятельность (углерод, содержащийся в вулканических выбросах, «древний», практически не содержащий <sup>14</sup>C);
* круговорот углекислого газа в природе;
* проведение атмосферных ядерных испытаний, создавших в 1950-х—60-х годах существенный выброс (около 0,5 тонны) радиоуглерода в атмосферу (''бомбовый эффект'');
* сжигание большого количества ископаемых топлив (углерод, содержащийся в нефти, природном газе и угле — «древний», практически не содержащий <sup>14</sup>C) — так называемый ''эффект Зюсса'', возникший с началом промышленной революции в 19 веке.
Два последних фактора делают невозможным проведение точных радиоуглеродных датировок у образцов 20-го века.

Кроме того, исследования показали, что из-за разницы в атомных массах изотопов углерода химические реакции и процессы в живых организмах идут с немного разными скоростями, что нарушает естественное соотношение изотопов (так называемый эффект [[изотопное фракционирование|изотопного фракционирования]])<ref>''Г. А. Вагнер'', с. 164.</ref>. Ещё один важный эффект (''резервуарный эффект'') — замедленное достижение радиоуглеродного равновесия в Мировом океане из-за его медленного<ref>Характерное время гомогенизации углерода в океанах порядка 1000 лет.</ref> обмена углеродом с атмосферным резервуаром — приводит, если не учитывать поправок, к кажущемуся увеличению возраста остатков морских организмов, а также тех сухопутных организмов, чья диета в основном состояла из морской пищи. Понимание процессов, связанных с углеродным обменом в природе и влиянием этих процессов на соотношение изотопов в биологических объектах, было достигнуто не сразу. Таким образом, использование радиоуглеродного метода без учёта этих эффектов и вносимых ими поправок способно породить значительные ошибки (порядка тысячелетия), что часто происходило на ранних этапах развития метода, до 1970-х годов.

В настоящее время для правильного применения метода произведена тщательная калибровка, учитывающая изменение соотношения изотопов для различных эпох и географических регионов, а также специфику накопления радиоактивных изотопов в живых существах и растениях. Для калибровки метода используется определение соотношения изотопов для предметов, абсолютная датировка которых заведомо известна. Одним из источников калибровочных данных является [[дендрохронология]]. Также проведены сопоставления определения возраста образцов радиоуглеродным методом с результатами других изотопных методов датирования. Сейчас в качестве стандартной калибровочной кривой используется IntCal, первая версия которой опубликована в 1998 году (см. рис.)<ref name=IntCal98/>. Следующие уточнённые версии калибровочной кривой, используемой для пересчёта измеренного радиоуглеродного возраста образца в абсолютный возраст, опубликованы в 2004, 2009<ref>[http://www.radiocarbon.org/IntCal09.htm IntCal09 Supplemental Data]</ref> и 2013 году<ref name=IntCal13/>. Калибровочная кривая IntCal13 построена отдельно для северного и южного (SHCal13) полушарий, она охватывает последние 50 000 лет и получена на основании тысяч измерений точно датируемых древесных колец деревьев (последние 12 000 лет), годовых приростов [[коралл]]ов и отложений [[фораминиферы|фораминифер]]. Сравнение отложений на дне японского озера [[Суйгецу]] за период с 12 000 до 40 тысяч лет назад с информацией, полученной дендрохронологами при анализе древесных колец, привело к внесению поправок, сдвинувших данные в прошлое на 300—400 лет<ref>[http://www.gazeta.ru/science/2012/10/19_a_4817661.shtml Новая хронология от Суйгецу]</ref><ref>{{статья|автор=Bronk Ramsey C. et al |заглавие=A Complete Terrestrial Radiocarbon Record for 11.2 to 52.8 kyr B.P. |ссылка=http://www.sciencemag.org/content/338/6105/370.abstract |издание=Science |year=2012 |volume=338 |выпуск=6105 |pages=370—374 |doi=10.1126/science.1226660 |язык=en }}</ref>. Калибровка для морских объектов выполняется по отдельной кривой Marine13, поскольку скорость обмена углерода в морском резервуаре медленнее атмосферного.

Можно констатировать, что в своём современном виде на историческом интервале (от десятков лет до 60—70 тысяч лет в прошлое) радиоуглеродный метод можно считать достаточно надёжным и качественно откалиброванным независимым методом датирования предметов биологического происхождения.

== Критика метода ==
Несмотря на то, что радиоуглеродное датирование уже давно вошло в научную практику и достаточно широко используется, в околонаучных публикациях и в Интернете встречается критика этого метода, ставящая под сомнение правомерность его применения для датирования исторических артефактов (в особенности более позднего периода). Как правило, радиоуглеродный метод критикуется сторонниками «[[Научный креационизм|научного креационизма]]» «[[Новая хронология (Фоменко)|Новой хронологии]]» и других [[Псевдонаука|псевдонаучных]] концепций. Некоторые примеры возражений против радиоуглеродного датирования приведены в разделе ''[[Новая хронология (Фоменко)#Сомнения в существующих естественно-научных методах датирования|Критика естественно-научных методов в «Новой хронологии» Фоменко]]''. Обычно такая критика радиоуглеродного анализа основывается на самых ранних научных публикациях, отражающих состояние методологии в 1960-х годах и на непонимании основ метода и особенностей калибровки<ref>''Левченко В.'' [http://hbar.phys.msu.ru/gorm/fomenko/wally-r.htm О «радиоуглероде глазами Фоменко» и «научных» основах Новой Хронологии: полемические заметки] {{Wayback|url=http://hbar.phys.msu.ru/gorm/fomenko/wally-r.htm |date=20100618023143 }}</ref>.

== Влияние выброса ископаемого углерода ==
В 2015 году Х. Грейвен ([[Имперский колледж Лондона]]) подсчитал<ref name=Gra15>{{cite doi|10.1073/pnas.1504467112}}</ref>, что дальнейшее сжигание ископаемого топлива в существующем темпе из-за эмиссии в атмосферу «древнего» углерода приведёт к неотличимости по радиоуглеродному методу современных образцов от более древних<ref>{{Статья|автор = |заглавие = |издание = |тип = |год = |номер = |страницы = |issn = |ссылка = http://www.scientificamerican.com/article/fossil-fuel-burning-obscures-radiocarbon-dates/}}</ref><ref>{{Статья|автор = |заглавие = |издание = |тип = |год = |номер = |страницы = |issn = |ссылка = http://geektimes.ru/post/259218/}}</ref> (хотя на образцы, возникшие до индустриализации и не обменивающиеся углеродом с атмосферой, этот эффект, разумеется, не влияет). В настоящее время выброс в атмосферу ископаемого углерода приводит к кажущемуся «старению» атмосферного углерода примерно на 30 лет в год<ref name=Gra15/>.

== См. также ==
* [[Оптическое датирование]]
* [[Термолюминесцентное датирование]]

== Литература ==
* ''Герасимов И. П.'' Радиоуглеродные исследования Радиометрической лаборатории Института географии АН СССР: Сообщ. 1-5: // [[Бюллетень Комиссии по изучению четвертичного периода]]. Сообщ. 1: 1975. № 44. С. 154—159; Сообщ. 2: 1976. № 46. С. 185—189; Сообщ. 3: 1979. № 49. С. 179—187; Сообщ. 4: 1980. № 50. С. 206—213; Сообщ. 5: 1983. № 52. С. 205—211.
* {{книга
 |автор         = Вагнер Г. А.
 |заглавие      = Научные методы датирования в геологии, археологии и истории: Учебник
 |место         = М.
 |издательство  = Техносфера
 |год           = 2006
 |страниц       = 534
 |ISBN          = 5-94836-037-7
}}
* {{книга
 |автор         = Короновский Н. В.
 |заглавие      = Общая геология: Учебник
 |издание       = 2-е изд
 |место         = М.
 |издательство  = Издательство «КДУ»
 |год           = 2010
 |страницы      = 122—124
 |страниц       = 526
 |isbn          = 978-5-98227-682-7
}}
* * ''L. Currie'' [https://web.archive.org/web/20101206195414/http://nvl.nist.gov/pub/nistpubs/jres/109/2/j92cur.pdf «The Remarkable Metrological History of Radiocarbon Dating II»]. J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 109 (2004) 185—217.

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки ==
{{Навигация}}
* [http://library.by/portalus/modules/philosophy/print.php?subaction=showfull&id=1108752734&archive=0213&start_from=&ucat=1& Е. Н. Черных, Н. Б. Черных. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии]
* [http://hist.asu.ru/metod/arch/t1.html#Part2Par3 Методика отбора проб для радиоуглеродного и дендрохронологического анализа. Учебное пособие]
* [https://web.archive.org/web/20060426075252/http://hbar.phys.msu.ru/gorm/dating/wally-1.htm В.Левченко. Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему.]
* [http://fatus.chat.ru/dergache.html В. А. Дергачев. Радиоуглеродный хронометр] [http://evolution.powernet.ru/library/radiocarbon.htm зеркало].
* [http://www.mk.ru/science/article/2010/03/26/455995-novyiy-metod-radiouglerodnogo-datirovaniya-artefaktov-ne-unichtozhaet.html Новый метод радиоуглеродного датирования артефактов не уничтожает]
* [http://c14.arch.ox.ac.uk/embed.php?File=oxcal.html Программа для калибровки радиоуглеродного возраста OxCal]
* [http://antropogenez.ru/interview/357/ Б. Ф. Хасанов. О радиоуглеродном методе датирования]
{{перевести|en|Radiocarbon dating}}
{{ВС}}

[[Категория:Радиоизотопное датирование]]
[[Категория:Изотопы углерода]]