Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Теперь подошло время вернуться к датировке нашего древнего Корана. Последний вопрос заключается в том, как подсчитать количество присутствующих в образце атомов ¹⁴C. В 1946 году, когда Уиллард Либби изобрел радиоуглеродное датирование, это можно было сделать только одним способом – подсчитав число высокоскоростных электронов, испускаемых при бета-распаде каждого атомного ядра (электроны имеют широкий диапазон энергий, значения которых сосредоточены вокруг отметки примерно в 50 000 эВ). Учитывая, что период полураспада ¹⁴C равен 5730 годам (или около 3 миллиардов минут), потребовалось бы 6 миллиардов ядер ¹⁴C для хотя бы одного распада в минуту (поскольку половина из них распадается за один период полураспада). Начнем с того, что среднее соотношение ¹⁴C/¹²C составляет 1 к триллиону, а значит, нужно будет провести измерения 10 000 распадов, чтобы снизить статистическую погрешность до уровня 1 %⁹. Таким образом, для этого метода потребуется образец пергамента массой не менее 15 граммов – столько весят несколько рукописных страниц¹⁰. Ни один директор музея не захочет знать возраст драгоценного предмета в своей коллекции настолько сильно, чтобы позволить увезти его в физическую лабораторию ради неизвестно каких нечестивых целей.

Для современного радиоуглеродного датирования при помощи изотопа ¹⁴C требуются значительно меньшие образцы, а атомы подсчитываются напрямую, без необходимости дожидаться их распада, благодаря использованию ускорительного масс-спектрометра (вспомните, как в главе 5 мы упоминали это устройство, которое изобрел Фрэнсис Астон). Углерод извлекают, превращая его в графит (с помощью сжигания или химических методов), затем ионизируя атомы и ускоряя их до высоких энергий. Несомненно, это требует разрушения образцов, но они в тысячи раз меньше, и их масса измеряется не в граммах, а в миллиграммах.

Пучок атомов высокой энергии проходит через магнитное поле, которое распределяет атомы по массе, при этом более массивные изотопы отклоняются не так сильно (см. рис. 8.1). Всего 0,01 грамма материала достаточно, чтобы получить миллионы атомов ¹⁴C в образце возрастом 35 000 лет¹¹. Как мы увидим в последующих главах, ускорительный масс-спектрометр – это бесценный инструмент для подсчета как стабильных, так и радиоактивных изотопов, используемых для воссоздания истории.

Рис. 8.1. Принцип действия ускорительного масс-спектрометра. Образец испаряется, а его атомы ионизируются, поэтому все они представляют собой положительно заряженные ионы. Ими выстреливают вправо, где они попадают в магнитное поле (оно направлено перпендикулярно странице и представлено маленькими кружками). Заряженные частицы отклоняются магнитным полем, и величина отклонения зависит от массы иона. Таким образом, детекторы для сбора можно размещать на разном расстоянии от источника ионизации и распределять ионы разной массы по детекторам в зависимости от последней

Возраст Корана

Теперь, когда мы объяснили, как образуются атомы ¹⁴C, а также подробно поговорили о точном определении скорости их образования и описали способы их подсчета, можно вернуться к нашему обманчивому заголовку, с которого началась эта глава. Напомним, что период, установленный при помощи радиоуглеродного датирования, пришелся на время с 568 по 645 год нашей эры. Во-первых, нам следует установить, что означает этот диапазон: это утверждение, согласно которому истинный возраст с вероятностью 95 % окажется в этих пределах и с вероятностью 5 % – либо древнее, либо моложе. Если бы мы хотели добиться достоверности более 99 % (минимум, который принимается в физике), пришлось бы расширить диапазон до 549–663 годов нашей эры¹² (вспомним, что Мухаммед умер в 632 году). Более того, дата отмечает не годы написания рукописи, а время, когда умерла овца, коза или теленок, из чьей шкуры был изготовлен пергамент.