Радыевугляроднае датаванне

Змена атмасфернай канцэнтрацыі радыевугляроду ¹⁴C, выкліканая ядзернымі выпрабаваннямі. Сінім паказана натуральная канцэнтрацыя.

Радыевугляроднае датаванне — разнавіднасць метаду радыеізатопнага датавання, якая ўжываецца для вызначэння ўзросту арганічных рэштак праз вымярэнне змяшчэння ў матэрыяле радыеактыўнага ізатопу ¹⁴C адносна стабільнага ізатопу вугляроду. Метад радыевугляроднага датавання прапанаваны Уілардам Лібі ў 1946 годзе, за што ён атрымаў Нобелеўскую прэмію па хіміі 1960 года. Метад заснаваны на тым, што жывыя арганізмы паглынаюць разам з ежай і радыеактыўны, і радыеактыўны вуглярод, які стала выпрацоўваецца ў атмасферы праз уздзеянне касмічных прамянёў на атмасферны азот. Пасля гібелі жывёлы або расліны абмен вугляродам з навакольным асяроддзем спыняецца, ¹⁴C у рэштках паступова распадаецца, і па яго рэшткавай удзельнай актыўнасці можна ацаніць час гібелі арганізма. Для ўдакладнення ўзросту трэба ўжываць калібровачныя крывыя. У 2020 годзе былі прыняты новыя версіі калібровачных крывых для Паўночнага паўшар’я (IntCal20), Паўднёвага паўшар’я (SHCal20) і марскіх проб (Marine20), якія дазваляюць датаваць пробы ўзростам да Шаблон:Nobr.

Фізічныя асновы

1. Утварэнне радыевугляроду ¹⁴C.
2. Распад ¹⁴C.
3. Умова раўнавагі для жывых арганізмаў і нераўнавагі для памерлых арганізмаў, у якіх радыевуглярод распадаецца без папаўнення звонку.

Вуглярод, як адзін з асноўных элементаў у складзе біялагічных арганізмаў, ёсць у зямной атмасферы ў выглядзе стабільных ізатопаў ¹²C (98,89 %) і ¹³C (1,11 %) і радыеактыўнага ¹⁴C, які ёсць у следавой колькасці (каля 10⁻¹⁰ %). Ізатоп ¹⁴C стала ўтвараецца ў асноўным у верхніх пластах атмасферы на вышыні Шаблон:Nobr пры сутыкненні другасных нейтронаў ад касмічных прамянёў з ядрамі атмасфернага азоту:

$n+{}^{\mathrm{1}\mathrm{4}}{}_{\mathrm{7}}\mathrm{N}\to {}^{\mathrm{1}\mathrm{4}}{}_{\mathrm{6}}\mathrm{C}+p.$

У сярэднім за год у атмасферы Зямлі ўтвараецца каля Шаблон:Nobr радыевугляроду пры агульнай яго колькасці Шаблон:Nobr.

Утварэнне радыевугляроду праз натуральную радыеактыўнасць на паверхні Зямлі нязначна мала.

Радыеізатоп вугляроду ¹⁴C зведвае [[Бэта-распад|Шаблон:Math-распад]] з перыядам паўраспаду Шаблон:Nobr, пастаянная Шаблон:Nobr:

${}^{\mathrm{1}\mathrm{4}}{}_{\mathrm{6}}\mathrm{C}\to {}^{\mathrm{1}\mathrm{4}}{}_{\mathrm{7}}\mathrm{N}+e^{-}+{\overline{\nu }}_e.$

Суадносіны радыеактыўнага і стабільных ізатопаў вугляроду ў атмасферы і ў біясферы прыкладна аднолькава з прычыны актыўнага перамешвання атмасферы, бо ўсе жывыя арганізмы стала ўдзельнічаюць у вугляродным абмене, атрымліваюць вуглярод з навакольнага асяроддзя, а ізатопы, з прычыны іх хімічнай неадметныя, удзельнічаюць у біяхімічных працэсах практычна аднолькавым чынам.

Удзельная актыўнасць вугляроду ў жывых арганізмах, якія абменьваюцца вугляродам з атмасферным рэзервуарам, адпавядае атмасфернага змяшчэнню радыевугляроду і складае Шаблон:Nobr ў хвіліну на грам вугляроду. З гібеллю арганізма вугляродны абмен спыняецца. Пасля гэтага стабільныя ізатопы захоўваюцца, а радыеактыўны (¹⁴C) паступова распадаецца, у выніку яго змяшчэнне ў рэштках паступова змяншаецца. Ведаючы зыходныя суадносіны змяшчэння ізатопаў у арганізме і вызначыўшы іх бягучае суадносіны ў біялагічным матэрыяле мас-спектраметрычным метадам або вымераўшы актыўнасць метадамі дазіметрыі, можна вызначыць час, які мінуў з моманту гібелі арганізма.

Выкарыстанне

Для вызначэння ўзросту з фрагмента даследаванай пробы вылучаюць вуглярод (праз спальванне папярэдне вычышчанага фрагмента), для вылучанага вугляроду вымяраюць радыеактыўнасць, на яе аснове вызначаюць суадносіны ізатопаў, якія і паказваюць узрост проб. Проба вугляроду для вымярэння актыўнасці звычайна ўводзіцца ў газ, якім напаўняецца прапарцыйны лічыльнік, або ў вадкі сцынтылятар. У апошні час для вельмі малага змяшчэння ¹⁴C і / або вельмі малых мас проб (некалькі мг) выкарыстоўваюць паскаральную мас-спектраметрыю, якая дазваляе прама вызначаць змячэнне ¹⁴C. На 2020 год гранічны ўзрост пробы, які можна дакладна вызначыць радыевугляродным метадам — каля Шаблон:Nobr, гэта значыць каля 10 перыядаў паўраспаду. За гэты час змяшчэнне ¹⁴C змяншаецца амаль у Шаблон:Nobr (да каля 1 распаду ў гадзіну на грам вугляроду).

Вымярэнне ўзросту прадмета радыевугляродным метадам магчыма толькі калі суадносіны ізатопаў у пробе не былі парушаны за час яе існавання, то-бок проба не была забруджана вугляродзмяшчальнымі матэрыяламі больш позняга або больш ранняга паходжання, радыеактыўнымі рэчывамі і не падвяргалася ўздзеянню моцных крыніц радыяцыі. Вызначэнне ўзросту такіх забруджаных проб можа даць велізарныя памылкі. За мінулыя з моманту распрацоўкі метаду дзесяцігоддзі назапашаны вялікі досвед у выяўленні забруджвання і ў ачыстцы ад яго проб. Для датавання з проб хімічнымі метадамі вылучаюць найменш падвергнутыя забруджванню кампаненты. Пры радыевугляродным аналізе раслінных рэшткаў выкарыстоўваецца цэлюлоза, а пры датаванні костак, рагоў і іншых жывёльных рэшткаў вылучаецца калаген. Магчыма таксама датаванне па рэштках тлустых кіслот, такіх як пальміцінавая і стэарынавая, напрыклад, керамікі. Хібнасць метаду на 2019 год знаходзіцца ў межах ад 24 гадоў (пробы пачатку XV стагоддзя) да 1 600 гадоў (пробы Шаблон:Nobr).

Адзін з найбольш вядомых выпадкаў прымянення радыевугляроднага метаду — даследаванне фрагментаў Турынскай плашчаніцы, праведзенае ў 1988 годзе, адначасова ў некалькіх лабараторыях сляпым метадам. Радыевугляродны аналіз дазволіў датаваць плашчаніцу перыядам XI—XIII стагоддзяў. Скептыкі лічаць такі вынік пацвярджэннем, што плашчаніца — сярэднявечная падробка. Прыхільнікі ж сапраўднасці рэліквіі лічаць атрыманыя даныя вынікам забруджвання плашчаніцы вугляродам пры пажары і наступным мыцці ў кіпячым алеі ў XVI стагоддзі.

Каліброўка і дакладнасць метаду

Калібравальная крывая 1998 года, якую выкарыстоўвалі пры радыевугляродным датаванні (Stuiver et al. 1998)

Удакладненая крывая каліброўкі 2020 года IntCal20 для дыяпазону Шаблон:Nobr да цяперашняга часу ў Паўночным паўшар’і.

Пік вугляроду-14 у 774 годзе. Каляровымі кропкамі паказаны вымярэнні дрэў. Чорная лінія — змадэляваныя даныя.

Зыходныя здагадкі Лібі, на якіх будуецца метад радыевугляроднага датавання, заключаюцца ў тым, што суадносіны ізатопаў вугляроду ў атмасферы ў часе і прасторы не мяняецца, а змяшчэнне ізатопаў у жывых арганізмах дакладна адпавядае бягучаму стану атмасферы. Аднак, як было вызначана пазней, гэтыя здагадкі справядлівыя толькі прыблізна. Змяшчэнне ізатопа ¹⁴C у атмасферы залежыць ад шматлікіх фактараў, такіх як:

• інтэнсіўнасць касмічных прамянёў і актыўнасці Сонца;
• шырата мясцовасці;
• стан атмасферы і магнітасферы;
• вулканічная дзейнасць (вуглярод, які змяшчаецца ў вулканічных выкідах, «старажытны», практычна не змяшчае ¹⁴C);
• кругаварот вуглякіслага газу ў прыродзе;
• правядзенне атмасферных ядзерных выпрабаванняў, якія стварылі ў 1950-1960-х гадах значны выкід (каля 0,5 тоны) радыевугляроду ў атмасферу (бомбавы эфект);
• спальванне вялікай колькасці выкапнёвага паліва (вуглярод, які змяшчае нафта, прыродны газ і вугаль — «старажытны», практычна не змяшчае ¹⁴C) — так званы Шаблон:Нп5, які ўзнік з пачаткам прамысловай рэвалюцыі ў XIX стагоддзі.

Два апошнія фактары робяць немагчымым правядзенне дакладнага радыевугляроднага датавання проб XX стагоддзя.

Акрамя таго, даследаванні паказалі, што з прычыны розніцы ў атамных масах ізатопаў вугляроду хімічныя рэакцыі і працэсы ў жывых арганізмах ідуць з трохі рознымі хуткасцямі, што парушае натуральныя суадносіны ізатопаў (так званы эфект ізатопнага фракцыянавання). Яшчэ адзін важны эфект (рэзервуарны эфект) — запаволенае дасягненне радыевугляроднай раўнавагі ў сусветным акіяне з прычыны яго павольнага абмену вугляродам з атмасферным рэзервуарам — прыводзіць, калі не ўлічваць паправак, да ўяўнага павелічэння ўзросту рэшткаў марскіх арганізмаў, а таксама тых сухапутных арганізмаў, чыя дыета ў асноўным складалася з марской ежы. Разуменне працэсаў, звязаных з вугляродным абменам у прыродзе і ўплывам гэтых працэсаў на суадносіны ізатопаў у біялагічных аб’ектах, было дасягнута не адразу. Такім чынам, выкарыстанне радыевугляроднага метаду без уліку гэтых эфектаў і ўнесеных імі паправак здольнае спарадзіць значныя памылкі (парадку тысячагоддзя), што часта адбывалася на ранніх этапах развіцця метаду, да 1970-х гадоў.

Радыевугляроднае датаванне патрабуе вялікай асцярожнасці пры выбары і падрыхтоўцы проб. У 2014 годзе Томас Хайэм з суаўтарамі выказалі здагадку, што апублікаваныя даты неандэртальскіх артэфактаў памылковыя праз забруджванне проб «маладым вугляродам»Шаблон:Sfn.

У цяперашні час для слушнага прымянення метаду праведзена старанная каліброўка, якая ўлічвае змяненне суадносін ізатопаў для розных эпох і геаграфічных рэгіёнаў, а таксама спецыфіку назапашвання радыеактыўных ізатопаў у жывых арганізмах і раслінах. Для каліброўкі метаду выкарыстоўваецца вызначэнне суадносін ізатопаў для прадметаў, узрост якіх пэўна вядомы. Адна з крыніц калібровачных даных — дэндрахраналогія. Працэдуру аб’яднання радыевугляроднага і дэндрахраналагічнага датавання назвалі Шаблон:Не перакладзена 5 (метад узгаднення варыяцый або метад стыкоўкі флуктуацый), яна дазваляе атрымаць вузейшы дыяпазон адносна таго, што дае калібровачная крывая, якая трапляе на плато (гл. напрыклад Шаблон:Не перакладзена 5). Выразны ізатопны след ад Шаблон:Не перакладзена 5 знойдзены ў архівах гадавых кольцаў з усяго свету (гл. Падзеі Міяке). Таксама праведзены супастаўленні вызначэння ўзросту проб радыевугляродным метадам з вынікамі іншых ізатопных метадаў датавання. Цяпер як стандартную калібровачную крывую выкарыстоўваюць IntCal, першая версія якой апублікавана ў 1998 годзе (гл. рысунак). Наступныя ўдакладненыя версіі калібровачнай крывой, якая выкарыстоўваецца для пераліку вымеранага радыевугляроднага ўзросту пробы ў абсалютны ўзрост, апублікаваны ў 2004, 2009 і 2013 годзе. Калібравальная крывая IntCal13 пабудавана асобна для паўночнага і паўднёвага (SHCal13) паўшар’яў, яна ахоплівае апошнія Шаблон:Nobr і атрымана на аснове тысяч вымярэнняў дакладна датаваных дрэўных кольцаў (апошнія Шаблон:Nobr), гадавых прыростаў каралаў і адкладаў фарамініфер. Параўнанне адкладаў на дне японскага возера Суйгецу за перыяд з Шаблон:Nobr да Шаблон:Nobr таму з інфармацыяй, атрыманай дэндрахранолагамі пры аналізе дрэўных кольцаў, прывяло да ўнясення паправак, якія ссунулі даныя ў мінулае на Шаблон:Nobr. Каліброўка для марскіх аб’ектаў робіцца па асобнай крывой Marine13, бо хуткасць абмену вугляроду ў марскім рэзервуары павольней атмасфернага.

У сваім сучасным выглядзе дзякуючы стварэнню калібровачных шкал IntCal20, SHCal20 і Marine20 на гістарычным інтэрвале (ад дзясяткаў гадоў да 55 тысяч гадоў у мінулае) радыевугляродны метад можна лічыць досыць надзейным і якасна адкалібраваным незалежным метадам датавання прадметаў біялагічнага паходжання.

Станам на 2019 год гранічная дакладнасць радыевугляроднага датавання складае 15 гадоў (два стандартныя адхіленні, даверная імавернасць 95 %), пры гэтым для большасці часавых перыядаў за апошнія тры тысячы гадоў хібнасць вымярэння, абумоўленая хібнасцю калібровачнай крывой, складзе не менш за 50 гадоў, а за апошнія дзесяць тысяч гадоў — не менш за 100 гадоў. Меншая хібнасць дасягаецца ў перыяды, калі змяшчэнне ¹⁴C у атмасферы адносна хутка змяняецца (стромкія ўчасткі калібровачнай крывой), тады як на пакатых участках калібровачнай крывой адчувальнасць метаду горай. Хібнасць залежыць таксама ад стану проб і ад хімічнага асяроддзя, у якім яны знаходзіліся. Пры прафесійнай экспертызе радыевугляродным метадам эксперт звычайна дае даверны інтэрвал, у межах якога знаходзіцца хібнасць вызначанага ўзросту пэўнай пробы.

Варта адзначыць, што ў вызначэнні радыевугляроднага ўзросту з выкарыстаннем калібровачнай крывой выкарыстоўваецца ўмоўны «перыяд паўраспаду Лібі» для ¹⁴C, роўны па пагадненні Шаблон:Nobr. Ён адрозніваецца ад перыяду паўраспаду Шаблон:Nobr, асераднёнага па найбольш дакладных лабараторных вымярэннях і цытаванага ў ядзерна-фізічных базах даных. Гэта пагадненне прынята ў 1962 годзе, каб захаваць сумяшчальнасць з раннімі працамі. Адрозненне ўмоўнага перыяду паўраспаду ад сапраўднага ўжо ўлічана ў калібровачных крывых, таму атрыманы па іх калібраваны радыевугляродны ўзрост узгоднены з абсалютнай астранамічнай шкалой часу (але гэта не так для ўмоўнага «некалібраванага» або «канвенцыянальнага» ўзросту, уваходнага параметру калібровачнай крывой).

Крытыка метаду

Нягледзячы, што радыевугляроднае датаванне ўжо даўно ўвайшло ў навуковую практыку і досыць шырока выкарыстоўваецца, у калянавуковых публікацыях і ў Інтэрнэце сустракаецца крытыка гэтага метаду, якая ставіць пад сумнеў правамернасць яго прымянення для датавання гістарычных артэфактаў (асабліва больш позняга перыяду). Звычайна радыевугляродны метад крытыкуюць прыхільнікі «навуковага крэацыянізму», «Новай храналогіі» і іншых псеўданавуковых канцэпцый. Звычайна такая крытыка радыевугляроднага аналізу грунтуецца на самых ранніх навуковых публікацыях, якія адпавядалі стану метадалогіі ў 1960-х гадах, і на неразуменні асноў метаду і асаблівасцей каліброўкі.

Уплыў выкіду выкапнёвага вугляроду

У 2015 годзе Хезэр Грэйвен (Імперскі каледж Лондана) падлічыў, што працяг спальвання выкапнёвага паліва ў цяперашніх тэмпах з прычыны эмісіі ў атмасферу «старажытнага» вугляроду прывядзе да неадрознасці радыевугляродным метадам сучасных проб ад старажытных (хоць на пробы, якія ўзніклі да індустрыялізацыі і не абменьваюцца вугляродам з атмасферай, гэты эфект, вядома, не ўплывае). У цяперашні час выкіды ў атмасферу выкапнёвага вугляроду прыводзяць да ўяўнага «старэння» атмасфернага вугляроду прыкладна на 30 гадоў у год.

Гл. таксама

• Аптычнае датаванне
• Тэрмалюмінесцэнтнае датаванне

Літаратура

• 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.
• Шаблон:Кніга
• Шаблон:Кніга
• Шаблон:Кніга
• Шаблон:Артыкул.

Спасылкі

• Е. Н. Черных, Н. Б. Черных. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
• Методика отбора проб для радиоуглеродного и дендрохронологического анализа. Учебное пособиеШаблон:Архівавана
• В.Левченко. Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему.
• В. А. Дергачев. Радиоуглеродный хронометр (люстэрка).
• Новый метод радиоуглеродного датирования артефактов не уничтожает
• Программа для калибровки радиоуглеродного возраста OxCal
• Б. Ф. Хасанов. О радиоуглеродном методе датирования