Удивительная химия

Измерение радиоактивности — очень чувствительный метод определения количества вещества. Например, если искусственно (в ядерном реакторе) получить углекислый газ (СО₂), в котором все атомы углерода — это атомы ¹⁴С, то даже после разбавления в несколько триллионов (!) раз азотом в газе можно будет обнаружить радиоактивность. Возраст образца устанавливают так. Берут определенную его часть, сжигают и измеряют радиоактивность образовавшегося углекислого газа. Если в этом газе в расчете на 1 г углерода происходит в минуту 8 распадов (каждый из них регистрируется счетчиком), то такому образцу 5730 лет, если 4 распада — 11 460 лет и т. д. По формуле можно рассчитать возраст образца при любой его активности; и не важно, будет ли число распадов в минуту целое или дробное, важно другое — определить эту активность как можно более точно. Вот здесь-то и кроется одна из главных трудностей радиоуглеродного метода датировки. Поскольку активность образцов очень мала и значительно меньше фонового излучения, необходима специальная зашита от внешней радиации и очень долгое измерение (иногда в течение многих суток). Еще сравнительно недавно для надежного анализа образца, возраст которого ориентировочно исчислялся несколькими тысячелетиями, требовалось не менее 20 г углерода. Если это был и угли из костра древнего человека или старые деревянные предметы, то здесь проблем обычно не возникало — углерода для исследований было в избытке. Например, в Северной Америке при раскопках нашли останки поваленных деревьев, все верхушки которых были направлены в одну сторону. Это явление казалось необъяснимым: кому и зачем понадобилось валить столько деревьев, да еще все в одну сторону. Радиоуглеродный метод анализа древесины этих деревьев показал, что они росли примерно 11 тысяч лет назад — как раз в то время, когда на Земле был последний ледниковый период. Стало ясно, что деревья повалил медленно двигавшийся ледник. Кстати, уточнение времени последнего ледникового периода на Земле считается главным результатом исследований по методу Либби.

Но если образец — уникальное изделие, например, старая картина, то, конечно, никому бы не пришло в голову сжечь значительную ее часть, чтобы установить возраст, хотя теоретически это возможно (картины писали на холсте, а холст сделан из растительных волокон).

Трудности возникали и в тех случаях, когда возраст образца превышал несколько десятков тысяч лет; в них так мало осталось атомов ¹⁴С, что их трудно с достаточной точностью определить даже с помощью лучших счетчиков. Проблемы возникают и со слишком «молодыми» образцами, содержание радиоуглерода в которых мало отличается от состава современных образцов.

Разработка в 1970-е годы нового метода определения радиоуглерода с использованием ускорителя ионов позволила увеличить чувствительность измерений более чем в 1000 раз. Метод основан на превращении атомов углерода-14 в пучок ионов, который с помощью электрических и магнитных полей отделяется от всех других атомов, что и позволяет с высокой точностью измерять число атомов ¹⁴С. Теперь вместо десятков граммов для анализа достаточно всего нескольких миллиграммов, а иногда и долей миллиграмма образца.

При разработке радиоуглеродного метода ученым пришлось столкнуться и с другими трудностями, часто довольно неожиданными. Так, для проверки и корректировки метода был проведен анализ годовых колец некоторых деревьев, возраст которых исчисляется тысячами лет (секвойя, остистая сосна и др.). Между годовыми кольцами обмен углеродом практически отсутствует, поэтому можно было ожидать закономерного снижения содержания ¹⁴С при движении от края ствола к его центру в точном соответствии с формулой радиоактивного распада. Однако выяснилось, что количество радиоуглерода в атмосфере не всегда было точно таким, как сейчас, — так что пришлось вводить специальные поправки. Массовые испытания ядерного оружия в 50— 60-е годы также изменили содержание ¹⁴С в воздухе.

Очень серьезную проблему представляет загрязнение анализируемого образца. При этом случайное попадание «старого» углерода (например, в виде мела) в «современный» не так опасно — ошибка в этом случае будет невелика. Но если в старый образец, в котором содержание радиоуглерода за время его существования уменьшилось, скажем, в 100 раз, попадет хотя бы 1 % примеси «современного» углерода, то общее количество ¹⁴С в образце удвоится, что приведет к очень большой ошибке в определении возраста. (Она будет равна Т_1/2, т. е. примерно 6 тысячам лет!) С подобными «загрязнениями» исследуемых объектов приходится иметь дело довольно часто. Например, когда в штате Орегон (США) при прокладке горной дороги нашли в пещере 300 пар древней обуви, археологи решили для лучшей сохранности покрыть их слоем шеллачного лака. К счастью, лака хватило только для 294 пар. Поэтому лишь оставшиеся шесть пар оказались пригодными для определения их возраста радиоуглеродным методом, так как в лаке есть «свежий» нуклид ¹⁴С, который смазал бы всю картину.