Как работает углеродное датирование?

Углерод необходим для биологической жизни. На нем основана вся жизнь на Земле. Если бы не любезность углерода, простая органическая материя не смогла бы развиться, чтобы достичь необычайной, непостижимой сложности, которой она теперь может похвастаться.

Однако крошечный процент этого углерода радиоактивен! Измерение количества этого радиоактивного углерода в органическом веществе позволяет нам определить его возраст; такой метод называется радиоактивным углеродным датированием или, проще говоря, углеродным датированием. Вот как это работает.

Углерод-14

У Углерода есть брат-близнец, о котором знают лишь немногие. Нашу планету постоянно осыпают высокоэнергетические космические лучи, посылаемые солнцем. Эти лучи, изобилующие нейтронами, вступают в реакцию с азотом в нашей атмосфере с образованием атомов углерода-14 или C-14, изотопа углерода-12 или C-12.

Элемент и его изотоп обладают одинаковыми электрическими свойствами, но разными физическими свойствами. Это потому, что оба элемента содержат одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов. Затем близнецы идентифицируются по разным обозначениям, выделяя количество нейтронов, которое добавляется к символу элемента. C-12 имеет 12 нейтронов, а C-14 - 14 нейтронов; оба, однако, имеют по 6 протонов и электронов.

Главное в С-14 то, что он радиоактивен, нестабилен, что заставляет его испускать частицы и, следовательно, со временем распадаться.

Принцип углеродного датирования

Радиоактивный углерод будет реагировать с кислородом в атмосфере с образованием радиоактивного диоксида углерода. Этот радиоактивный углекислый газ вдыхается и накапливается растениями, которые потребляются травоядными животными, на которые охотятся плотоядные или всеядные животные, такие как люди. Следовательно, содержание углерода в каждом организме в атмосфере состоит в основном из атомов C-12 и небольшого количества атомов C-14.

Организмы, хотя и потребляют углерод, также выбрасывают его при выдохе. Транзакция или цикл производства, потребления и вытеснения атомов С-14 происходит таким образом, что, хотя количество атомов С-12 и С-14 в окружающей среде и в организме может варьироваться, их соотношение останется неизменным. Это принцип работы углеродного датирования: несмотря на транзакции, живой организм сохраняет то же соотношение атомов С-14 к С-12, что и в окружающей среде.

Однако когда организм умирает, он перестает потреблять углерод. Теперь, поскольку C-14 радиоактивен, он начинает распадаться. Соотношение атомов C-14 к C-12 в организме теперь уменьшается. Чем старше организм, тем больше разлагается C-14, поэтому соотношение меньше. Это соотношение используется археологами для датировки, скажем, дерева или окаменелости.

Они используют следующее уравнение для измерения возраста выборки:

Уравнение диктует распад радиоактивного изотопа. Здесь Nᵒ представляет количество атомов изотопа в образце при t = 0 или когда организм, часть которого теперь составляет образец, умер, в то время как N представляет количество атомов, оставшихся после того, как время t прошло.

Помните, что соотношение атомов C-14 к C-12 в организме и окружающей среде одинаково, когда он жив. Знание этого соотношения, которым мы уже располагаем, позволяет нам получить значение Nᵒ, исходное количество атомов C-14. Однако текущее значение N необходимо измерить. Атомы C-14 в образце подсчитываются с помощью тонких инструментов, таких как бета-счетчики и ускорительный масс-спектрометр.

λ - константа элемента, значение которой для C-14 равно 8,267. Время t, прошедшее с тех пор, или возраст образца можно получить, переписав уравнение:

Насколько надежно углеродное датирование?

Радиоактивность элемента измеряется периодом его полураспада: временем, которое требуется для распада половины его составляющих. Период полураспада C-14 составляет 5370 лет, что означает, что он становится вдвое меньше того, что было изначально за 5370 лет, одну четвертую за 10740 лет, одну восьмую за 16 110 лет и так далее.

Расширьте эту тенденцию, и вы обнаружите, что точное измерение показывает, что все атомы распадаются или, по крайней мере, процент, ниже которого они становятся необнаруживаемыми, примерно через 50 000 лет. Следовательно, датировка образца старше 50 000 лет может привести к ошибочным результатам.

Были разработаны комбинированные методы, сочетающие углеродное датирование с методами калибровки и расширения его возможностей, но даже эти методы по своей сути подвержены ошибкам. Следовательно, датирование по углероду является, несомненно, точным только в течение нескольких тысяч лет; любые результаты за пределами этих рамок сомнительны. Это главное ограничение углеродного датирования.

Более того, углеродное датирование, похоже, основано на ошибке. Он в основном основан на предположении, что соотношение атомов C-14 к C-12 в окружающей среде всегда было одинаковым на протяжении каждой эпохи.

Это, конечно, неправда. В частности, после промышленной революции мы уменьшили количество атомов C-12 в окружающей среде, бесстыдно сбрасывая в нее вызывающее тревогу количество углекислого газа, образующегося при сжигании ископаемого топлива. Увеличение C-12 означает, что соотношение теперь уменьшено, а это означает, что возраст образца будет старше, чем он есть на самом деле!

И наоборот, ядерные взрывы производят огромное количество C-14, поэтому множество ядерных испытаний, которые мы провели, увеличили его количество в атмосфере. Это увеличивает соотношение, в результате чего возраст выборки оказывается моложе, чем он есть на самом деле.

Тем не менее, зная величину отклонения, которое вызовет увеличение или уменьшение атомов С-14, мы можем объяснить эти расхождения, просто вычитая или добавляя ошибку от или к кажущемуся возрасту, чтобы получить реальный возраст. Опять же, датирование по углероду может быть не бесспорно точным, но оно достаточно хорошо.