Кости, скалы и звезды. Наука о том, когда что произошло

На их открытии строится также радиоуглеродное датирование, в основу которого положено измерение содержания в веществе радиоактивного изотопа углерода, меняющееся со временем. Современный углерод представлен в основном двумя самыми распространенными своими разновидностями — ¹²С и ¹³С. Это стабильные формы: ¹²С — самая простая, состоит из шести протонов и шести нейтронов, а ¹³С чуть тяжелее, поскольку в нем на один нейтрон больше. Однако нас интересуют не они, а радиоактивная форма, ¹⁴С, известная под названием «радиоуглерод». Это нестабильная комбинация из шести протонов (которые и обеспечивают ей свойства углерода) и 8 нейтронов. Радиоуглерод крайне редок, он составляет всего одну триллионную от всего современного углерода на планете. Представьте себе каплю воды, растворенную в олимпийском плавательном бассейне, — соотношение примерно таково.

К великим, которые поставили радиоактивность на службу датирования прошлого, мы обратимся чуть позже (в главе 11), а сейчас перенесемся в середину 1940-х. Именно тогда американский химик Уиллард Либби выдвинул предположение, что незначительные количества радиоуглерода поступают из верхних слоев атмосферы. Согласно гипотезе Либби, высокоэнергетичные частицы, формирующиеся в дальнем космосе, — так называемые космические лучи — достигая нашей планеты, вступают во взаимодействие с газообразным азотом, содержащимся в атмосфере, и в результате образуется радиоуглерод. Этот радиоуглерод моментально превращается в углекислый газ CO₂, который затем поглощают растения в процессе фотосинтеза. Растения впоследствии становятся кормом для травоядных, которые в свою очередь поедаются хищниками, и происходит передача атомов радиоуглерода по пищевой цепи. Таким образом, наличие радиоуглерода в живых организмах на Земле должно соответствовать его концентрации в атмосфере. Однако когда организм умирает, некоторые атомы ¹⁴С начинают распадаться, отдавая электроны и образуя азот (см. рис. 3.1). Либби считал, что, зная изначальное содержание радиоуглерода, можно измерить остаточное содержание ¹⁴С в образце и высчитать его возраст. Примерно то же самое, что определить, сколько прошло времени по оставшемуся в верхней колбе песочных часов количеству песка.

К концу 1940-х Либби и его коллегам удалось показать, что содержание радиоуглерода в атмосфере одинаково во всем мире и что ¹⁴С можно использовать для датирования любых органических веществ. Вскоре они уже проводили первые независимые эксперименты по определению возраста, измеряя остаточное содержание радиоуглерода в образцах. Наука обрела метод радиоуглеродного анализа.

Ключевым для него является скорость, с которой распадается нестабильный атом, — от чего зависит период полураспада. В отличие от живых организмов, которым все чаще удается доживать до старости, радиоактивный изотоп может погибнуть в любой момент. Это всего лишь вопрос вероятности. Период полураспада — время, за которое изначальное количество изотопа уменьшится наполовину. У каждого конкретного изотопа оно свое: чем менее стабильна комбинация протонов и нейтронов, тем короче период полураспада. Чтобы не рассуждать абстрактно, давайте проиллюстрируем принцип на вымышленном примере. Представьте, что у экспериментатора в лаборатории имеется килограммовый образец радиоактивного изотопа с периодом полураспада пять минут. В первые пять минут образец начнет распадаться буквально на глазах: останется всего 500 граммов. Еще через пять минут от него останется лишь 250 граммов. Еще через пять минут — 125. За период полураспада количество действительно уменьшается ровно наполовину. Так будет продолжаться до тех пор, пока через 10 таких периодов от образца практически ничего не останется и измерять экспериментатору будет нечего.

Из этого следует, что метод радиоуглеродного анализа не позволяет проникнуть назад во времени дальше, чем на десять периодов полураспада. Чем длиннее период полураспада, тем более далекое прошлое подвластно методу датирования. Ценой огромных усилий ученые добиваются в лабораториях идеальной стерильности, сводя к минимуму возможные радиоактивные загрязнения, чтобы можно было подвергнуть анализу даже самые крошечные и древние образцы. Для радиоуглеродного анализа диапазон составляет 40 000–60 000 лет, в зависимости от вида анализируемого материала и предела чувствительности лабораторных приборов.

По результатам первоначальных измерений Либби установил, что период полураспада радиоуглерода составляет чуть больше 5720 лет. Однако вслед за ним радиоуглеродом, который стал популярным предметом исследований в 1950-е, занялись другие ученые. Они определили период полураспада в 5568 лет, что отличалось от результатов, полученных Либби. Эта разница в 3% весьма существенна для конечной датировки. Результаты Либби были признаны ошибочными, и в качестве периода полураспада радиоуглерода приняли цифру 5568 лет.