Радіокарбоновий аналіз

Найпоширенішим з радіометричних методів датування, насамперед через те, що більшість археологічних об’єктів мають органічне походження і містять карбон, є радіокарбоновий аналіз. За відкриття цього методу американський фізик У. Ліббі отримав Нобелівську премію 1960 р. Принцип методу полягає у вимірюванні співвідношення природних ізотопів ¹²С, ¹³С та ¹⁴С. Останній міститься у природі у залишкових кількостях (10^-10%) і постійно утворюється у верхніх шарах атмосфери під дією вторинних нейтронів космічного випромінювання на ядрах нітрогену-14 та при взаємодії протонів з ядрами оксигену-16:

¹⁴N+ n→ ¹⁴С+ р (3.15)

¹⁶О+ р → ¹⁴С+ Т (3.16)

¹⁴С є β-радіоактивним з періодом напіврозпаду 5730 ± 40 років:

¹⁴С → ¹⁴N+ е^- (3.17)

Рослини, поглинаючи в процесі фотосинтезу вуглекислий газ, захоплюють і його радіоактивну модифікацію ¹⁴СО₂. За життя організму кількість атомів ¹⁴С, які розпадаються, компенсуються новими надходженнями із зовні. Після смерті організму надходження „нових” атомів ¹⁴С припиняється і відбувається лише розпад тієї кількості радіокарбону, яка знаходилась в організмі на момент смерті.

Неможливо встановити абсолютну кількість С-14 в організмі кожної живої істоти, проте для всіх них співвідношення між вмістом ¹⁴С та сумарним вмістом ¹²С та ¹³С є сталим згідно з законом ізотопного складу і дорінює співвідношенню для атмосферного СО₂. Отже, визначивши нинішнє співвідношення ¹⁴С/(¹²С + ¹³С) можна встановити час, який пройшов з моменту смерті організму.

Обмеження і недоліки методу:

• за сучасних технологій похибка методу сягає 70-300 років (в залежності від стану об’єкта);

• існують певні географічні особливості, наприклад, організми, які живуть у жаркому кліматі, мають підвищений вміст ¹⁴С у порівнянні з істотами помірного клімату, що необхідно враховувати при калібруванні;

• певні події – тривала підвищена активність Сонця, виверження вулканів, техногенна діфльність людини, зокрема ядерні випробування – змінюють природне співвідношення ізотопів;

• спалення викопного палива, збагаченого (відносно сучасності) радіо карбоном, робить неможливим датування об’єктів ХХ століття;

• метод дає точні результати у датуванні об’єктів, нестарших 60 000 років, що складає близько 10 періодів напіврозпаду ¹⁴С (при цьому його вміст зменшується у 1000 разів);

• метод неможливо застосувати якщо співвідношення ізотопів в об’єкті було порушене за час його існування (наприклад при дії сильних джерел радіації);

• необхідність калібрування за зразками, абсолютний вік яких точно встановлений незалежними методами (дедрохронологія, за річним приростом коралів чи відкладень форамініфер).

В цілому на відрізку часу 60-70 тисяч років (за умови калібрування) метод є достатньо надійним. Цим методом було встановлено вік деревини єгипетських пірамід, мамонту, знайденого на Таймирі, кісток та археологічних знахідок поселень Трипільської культури та Середньої Азії.

Середні природні радіонукліди здебільшого β- та α- радіоактивні та характеризуються величезними періодами напіврозпаду (див. Таблицю 3.5).

Серед середніх природних радіонуклідів найважливішим є ⁴⁰K. Ізотоп ⁴⁰K є одним з трьох природних з кларком 0,0117%, розпадається за двома шляхами з періодом напіврозпаду 1,248·10⁹ років:

- β-розпад (10,9% атомів) ⁴⁰K → ⁴⁰Ca + е^- (3.18)

- K-захоплення (89,1% атомів)⁴⁰K+ е^-→⁴⁰Ar + γ (3.19)

Обидва «кінцеві» ізотопи (⁴⁰Ca і ⁴⁰Ar) є стабільними.

Аномально висока кількість аргону у атмосфері нашої планети є наслідком саме радіоактивного розпаду ⁴⁰K шляхом K-захоплення.

Оскільки період напіврозпаду ⁴⁰K є величезним, цей радіонуклід відігравав і відіграє велику роль у тепловому балансі планети. Майже одна п’ята частина тепла, що нині надходить від радіоактивного розпаду всіх радіонуклідів на поверхню планети, зумовлена розпадом калію-40. Крім того, експерименти, проведені радіобіологами, засвідчили, що засвоєння рослинами йонів калію та натрію неможливе без їх природних радіонуклідів. Уведення у ґрунт калію без ⁴⁰K приводило до пригнічення росту та захворювань рослин. Цей факт ще раз доводить, що природна радіоактивність не шкодить живим організмам, адже вони виникли і розвивались під впливом іонізаційного випромінювання значно вищої інтенсивності, ніж сучасна.