Радиоуглеродный
метод датировки
В
пространствах Вселенной каждую секунду происходят космические катастрофы:
вспыхивают новые и взрываются старые звезды, выбрасывая в межзвездные пространства
ядра водорода, гелия и других элементов. В галактических магнитных полях эти
ядра разгоняются до громадных энергий — в сотни и тысячи раз больших, чем
достигнутые сегодня на ускорителях. Эти космические лучи, как их назвал Роберт
Милликен, встретив на своем пути Землю, пронизывают атмосферу и, сталкиваясь с
ядрами ее атомов, вызывают разнообразные ядерные реакции: разбивают ядра на
осколки, выбивают из них вторичные протоны и нейтроны. Эти вторичные частицы
вступают в новые ядерные реакции, одна из которых в 1946 г. привлекла особое
внимание американского физика Уилларда Фрзнка Либби (1908—1980). Он заметил,
что выбитые нейтроны, сталкиваясь с ядрами атомов азота, из которого на 79 %
состоит атмосфера Земли, могут выбить из них протон и превратить их в ядра
углерода:
В
отличие от обычного изотопа углерода 12С, редкий изотоп UC
радиоактивен с периодом полураспада 7 T1/2 = 5730 лет. Каждую секунду на площадку в 1 м2 падает примерно 4000 космических протонов,
которые после каскада ядерных превращений приводят к образованию примерно 2
ядер 14С в каждом кубическом сантиметре верхних слоев атмосферы. Эти
изотопы углерода вскоре соединяются с кислородом и в виде углекислого газа
усваиваются растениями, а затем животными и человеком. В результате такого круговорота
в органическом веществе всех растений и животных устанавливается равновесная
концентрация изотопа |4С, который можно обнаружить с помощью обычного счетчика
Гейгера — Мюллера. Оказалось, что в 1 г углерода органического происхождения —
будь то древесина, трава, кости животного или бактерии —содержится
примерно 70 млрд. атомов углерода 14С, причем каждую минуту 15 из
них распадаются.
Однако
это заключение справедливо лишь для живой материи: как только растение,
животное или человек умирает, прекращается обмен веществ, составляющий суть
жизни, а вместе с этим в останках нарушается и равновесная концентрация атомов 14С.
С момента гибели живого организма число атомов 14С в нем непрерывно
уменьшается по строго определенному закону: через 5730 лет их станет вдвое
меньше, еще через 5730 лет — вчетверо меньше и т. д. А это означает, что 1 г
углерода только что срубленного дерева через 5730 лет будет излучать вместо 15
импульсов в минуту только 8, а еще 5730 лет спустя — 4 импульса в минуту и т.
д.
Теперь
ясно, как определить возраст любой археологической находки — будь то угли
первобытного костра, мумия из египетской пирамиды или обломки корабля
аргонавтов. Для этого достаточно сосчитать число распадов, которые
зарегистрирует счетчик Гейгера — Мюллера за 1 мин в 1 г углерода, взятого из
исследуемого образца (для удобства его обычно сжигают и исследуют на
радиоактивность образовавшийся углекислый газ).
Идея
этого метода определения времени довольно древняя: по этому принципу, например,
устроены песочные и водяные часы, но поистине удивительно, как в
радиоуглеродном методе датировки причудливо переплелись новейшие достижения
ядерной физики и седая древность, лучи из мировых глубин и филигранная работа
живых клеток, усваивающих углерод в процессе фотосинтеза.
В
1960 г. физик Либби за это открытие удостоен Нобелевской премии по химии, хотя
значение его выходит далеко за рамки обеих наук.