ПРО+Не используйте методические пособия в качестве самоучителя. Спрашивайте, интересуйтесь, задавайте вопросы на форуме.
 

Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему (5)

Несколько слов о периоде полураспада радиоуглерода. Когда метод был только предложен, Либби определил его величину в 5568+/-25 лет. И в течение некоторого времени все пользовались этим значением. Однако по прошествии примерно 20 лет были проведены несколько серий особо точных измерений периода полураспада, с использованием новых технических разработок. И величина была установлена в 5730+/-30 лет. Несколько последовавших проверок подтвердили полученный результат. Однако в радиоуглеродных расчетах по прежнему продолжают использовать старое значение, которое теперь называют периодом полураспада Либби.

Это делается для того, чтобы сохранить преемственность и возможность напрямую сравнивать измерения, сделанные в разное время. Возраст, рассчитанный по Либбиевскому значению, называют радиоуглеродным возрастом, и все знают, что он не соответствует календарному возрасту и возрасту, рассчитанному с точным значением периода. Разница впрочем невелика, всего лишь коэффициент 1.03. Но эту поправку не вносят напрямую, а учитывают при калибровке возраста по калибровочной кривой. Более точный период полураспада тоже используют, но не в датировочных работах, а в геофизических исследованиях. Для геофизических образцов применяют именно это значение.

Иногда возникает вопрос, а как измерялась эта величина - период полураспада? В общем, измерение методологически довольно простое. Если нам известно содержание радиоуглерода в образце, и мы аккуратно померили его активность, количество распадов 14C в единицу времени, то величина определяется точно и однозначно. Проблема была лишь в том, чтобы точно установить содержание радиоуглерода в образце. Можно в общем случае и его не знать, а аккуратно промерить временную кривую распада. Однако практически это тоже сделать не так просто, так как период полураспада все же велик по сравнению с обычными житейскими промежутками времени. Следовательно, активность образца должна быть очень высокой.

Как же можно определить содержание радиоуглерода в образце? Обычно содержание изотопов в исследуемых образцах определяют в масс-спектрометрических измерениях. Казалось бы, можно это проделать и для радиоуглерода. Массовое разрешение в единицу для легких ядер - не проблема на многих, даже весьма простых и грубых машинах. И что тогда огород городить со сложными методами измерений? Однако же проблема в чрезвычайно низком содержании радиоуглерода в современном природном углероде. Изотопное отношение массы 14 к 12 всего лишь 1.18*10-12. Это означает, что крылья линии массы 13 (тоже стабильный изотоп углерода, составляющий примерно 1%) полностью задавят слабенький сигнал. Дело в том, что массовые линии конечно не идеальны, из-за некоторого разброса энергий ионов, излучаемых источником масс-спектрометра. Кроме того, даже крайне небольшое присутствие обломков молекул вида CH или CH2 также даст сигнал в массе 14, задавливая сигнал от крайне малого количества изотопа 14C. Ну и в дополнение ко всему, в вакуумной камере масс-спектрометра всегда присутствуют некоторые остаточные газы. И основной компонент их - азот, также имеющий ту же массу - 14N. Линии азота видны, пусть слабо, практически на любой спектрограмме. И это совсем уж не оставляет шансов на измерение природного 14C. Однако если мы обогатим наш исходный образец, увеличив содержание радиоуглерода, скажем, в миллионы, а то и больше раз, то тогда померить его содержание на масс-спектрометре особого труда не составит. Вот таким образом и были проведены определения периода полураспада. Образцы облучались в реакторах, где в сильных нейтронных полях нарабатывались запредельные концентрации радиоуглерода. Затем его количество точно определялось масс-спектрометрически, ну а затем проводили измерения бета-распада. Причем, поскольку активности были высокими, то период полураспада определяли сразу двумя методами - по кривой спадания, и из начальной концентрации. Затем, с развитием ускорительной масс-спектрометрии эти измерения перепроверялись с образцами обычной природной активности, подтвердив ранее полученное значение периода полураспада.

Вернемся к датированию. Почему мы можем считать начальную концентрацию радиоуглерода известной? Вопрос этот часто вызывает недоумение, поэтому остановимся на нем поподробнее. Одним из основных положений радиоуглеродного датирования является, что датирование возможно для образцов, которые на периоде свой "активной" жизни так или иначе были в контакте и обмене с атмосферой. Почему именно с атмосферой?

Как мы уже обсуждали, атмосфера является самым быстроперемешиваемым и гомогенным из всех природных резервуаров радиоуглерода. Содержание радиоуглерода в атмосфере по всей Земле можно считать одинаковым. Речь здесь идет об усредненных значениях, за год или несколько более. Поскольку, как мы уже знаем, существуют дневные и сезонные циклы. Но в среднем за год, вся атмосфера в отношении радиоуглерода - весьма гомогенна. Но ведь нам и не надо временного разрешения лучше. Радиоуглеродное датирование не стремится к датировкам с погрешностью в год все равно.

Какие же образцы можно таким образом датировать? Очевидно, что остатки когда-либо живших организмов удовлетворяют условию обмена с атмосферой. Это дерево, древесный уголь, кости, торф, артефакты животного и растительного происхождения. К другим материалам можно отнести озерные и морские осадки, почвы и даже карстовые образования - сталактиты и сталагмиты. Но эта группа нуждается в особом подходе и обработке.

Радиоуглеродный метод был распространен (с определенными оговорками) и на морские организмы. Поверхностный слой океана, в общем, довольно хорошо перемешан и гомогенен. Однако для таких образцов необходимо учитывать отличие начальной радиоуглеродной концентрации от атмосферной, как мы обсуждали ранее. Такой сдвиг носит название резервуарного эффекта.

Итак, есть у нас остатки растений, которые когда-то строили свои организмы из атмосферного углерода, остатки животных, которые поедали эти растения, и тоже приходили в баланс с атмосферой. А как же выполняется условие о сохранности изотопного сигнала и отсутствии обмена со средой после "смерти" образца?

Для некоторых образцов это условие наглядно и тривиально выполняется. Например, для ледяной тирольской мумии - Отци. После смерти он был законсервирован в леднике, идеальные условия. Некоторые образцы также сохраняются очень хорошо. Например, балки в каких-либо постройках - укрытые от воздействия внешних факторов, некоторые артефакты, сохраняемые в защищенных условиях.

Однако все же большинство образцов находится во внешней среде, и подозревать какое-либо взаимодействие возможно. Здесь надо отметить, что за исключением природных карбонатов, другие загрязнения будут скорее вызывать омоложение даты образца, так как будут происходить уже после его смерти с "более свежим" радиоуглеродом.

Для того, чтобы бороться с загрязнениями, и для выполнения условия консервации разработаны различные методы очистки и подготовки образцов.

Рассмотрим вкратце некоторые подходы для типичных групп.

Древесный уголь, будучи практически элементарным углеродом, хорошо сохраняется. Подготовка заключается в удалении карбонатов и возможных почвенных загрязнителей, вроде гуминовых кислот.

Дерево,захороненное где-либо, также нуждается в удалении почвенных карбонатов и гуминовых кислот. В дереве при ответственном датировании выделяют целлюлозную фракцию и датируют только ее. Как мы уже говорили, эта фракция немобильна, и наиболее точно отражает атмосферное изотопное отношение во время своего образования.

Кости. Успешное датирование костей не так уж просто. Карбонаты из окружающей среды проникают в кости и смешиваются и замещают исходные. Чаще пытаются датировать коллагеновую фракцию, или "желатиновую", растворяя белок в горячей воде. Исследования с целью улучшить процесс, сделать его более надежным ведутся постоянно, см. например N. B. Athfield, B. McFadgen. R. Sparks Reliability of Bone Gelatin AMS Dating: Rattus exulans and Marine Shell Radiocarbon Dates from Pauatahanui Midden Sites in Wellington, New Zealand, Radiocarbon, (1999) Vol 41, Nr 2, p.119-126 (резюме здесь: <http://www.radiocarbon.org/Journal/v41n2/Abstracts/1.html>). В ответственных случаях выделяют аминокислоты и датируют их. Такой метод наиболее аккуратен. Ну и при высшей очистке выделяют аминокислоту гидроксипролин, являющуюся уникальной для кости, и датируют только ее.

Были попытки использовать апатит кости, однако результаты пока не сравнимы с аминокислотным подходом.

Вообще, метод выделения специфичного для образца соединения (белки, аминокислоты, целлюлоза, хитин, пр.) является в настоящее время наиболее надежным.

С развитием ускорительной масс-спектрометрии датирование стало возможно для очень малых образцов. Это, во-первых, существенно снизило возможность загрязнении, так как позволило более глубокую очистку и отбор, а во-вторых, расширило область применения на такие объекты как отдельные зерна, останки насекомых, углеродные включения в керамику, (см., например, D. C. Gomes, O. Vega, Dating Organic Temper of Ceramics by AMS: Sample Preparation and Carbon Evaluation, Radiocarbon, (1999), Vol 41, Nr 3, p.315-320, резюме здесь: <http://www.radiocarbon.org/Journal/v41n3/Abstracts/8.html>), металлические изделия, чугун, проведение аутентификации произведений искусств, выявление подделок вин и других напитков.

Поэтому было разработано большое количество различных методов подготовки образцов, и эта область продолжает развиваться. В каждом конкретном случае лучше связаться непосредственно с лабораторией. Однако принцип выделения характерных для конкретного образца и немобильных соединений остается. Это и выполняет условие консервации - датировка фракции, не обменивавшейся со средой после "смерти" образца.

Какими же методами измеряют содержание радиоуглерода в образце?

Исторически первым методом, использованным Либби, было применение газонаполненных счетчиков, вроде счетчика Гейгера. Причем Либби переводил свои образцы в состояние элементарного углерода (сажа), и нанеся его на специальный рукав, вводил внутрь счетчика. Метод конечно работал, но был весьма неудобным, неаккуратным и трудоемким. Фактически в настоящее время параллельно используются три основных способа измерения. Два радиометрических и один непосредственный.

Радиометрические способы регистрируют распад ядра 14C. радиоуглерод это типичный бета-распадчик с максимальной энергией бета-частицы - электрона в 156 КэВ. Бета частицы не такие уж проницаемые, и мерить их непросто. Основные методы в приложении к радиоуглероду - газонаполненные (обычно пропорциональные) счетчики и спектрометры на жидких сцинтилляторах.

В газонаполненных проп.счетчиках углерод исследуемого образца в виде газа добавляется к рабочему газу счетчика, или просто является рабочим газом. Для этого весь углерод образца переводят в вид обычно CO2 или CH4 (иногда и других соединений). Сигнал проп.счетчика пропорционален энергии частицы, создающей в нем ионизацию. Таким образом, можно выделить окно, соответствующее лишь энергиям распада 14C. Энергии фоновых, в основном гамма-квантов обычно выше. Счетчики обычно используют в сборках. Внешние слои играют роль активной защиты, регистрируя излучение, идущее извне и запрещая счет во внутренних счетчиках на этот момент времени. Образец, эталон, относительно которого измеряется величина в образце, и фоновый счетчик, в котором нет радиоуглерода в газе, помещаются во внутренние слои. Эталонный образец нужен для учета индивидуальных особенностей измерительной установки. Активность образца/содержание радиоуглерода меряется относительно его точно известного, стандартного и обеспечиваемого бюро стандартов содержания. Фоновый счет, измеренный счетчиком фона, вычитается из измерений на счетчике образца и эталона.

Обычно установку защищают также и пассивной защитой из слоев свинца, ртути, других материалов, и пытаются, по мере возможности поместить под землю, для снижения фона от космических лучей.

Типичный размер образца для газонаполненных счетчиков от нескольких грамм до десятков миллиграмм углерода. Типичное время измерения - от дня до нескольких суток.

Для жидкосцинтилляционных установок углерод образца также конвертируют в другое вещество, а именно в какой-либо органический растворитель. Обычно в бензол. В этой жидкости растворяют сцинтиллирующую добавку. Сцинтиллятор, это такое вещество, которое выдает световой импульс на акт возбуждения ионизирующей частицей. Причем амплитуда импульса пропорциональна энергии частицы. Световые импульсы регистрируются специальными приборами - фотоэлектронными умножителями. Опять-таки, производится селекция по энергии. Методы защиты, в общем, подобны предыдущим. Активная защита, обычно из пластикового сцинтиллятора, окружающая зону с образцом снаружи, пассивная защита, подземное размещение. И измерения также подобны. Измеряется образец, эталонный образец и фоновый образец без радиоуглерода. Время типичного измерения тоже подобно. Однако за счет некоторых технологических ухищрений фоновые уровни для жидкосцинтилляционных спектрометров удались заметно снизить и сделать лучше таковых для газонаполненных счетчиков. Тем не менее, у них тоже есть минусы. В первую очередь величина образца, от сотен грамм до сотен миллиграмм в лучшем случае. Да и рабочее вещество - бензол - является канцерогеном.

Первоисточник: 
Левченко В. Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему. 18-12-2001
 
 
 
 
Ошибка в тексте? Выдели ее мышкой и нажми   Ctrl  +   Enter  .

Стоит ли самостоятельно реставрировать непрофессионалу? (2018)


  1. Технические операции требуют профессиональных навыков.

  2. Представить ход работы - это одно, а сделать - совсем другое.

  3. Не каждому памятнику пригодны стандартные методики реставрации и хранения.

  4. Некоторые методики устарели из-за выявленных деструктивных последствий.

  5. Неверно подобранные материалы сразу или в будущем нанесут вред памятнику.

  6. Если возвращаете памятнику утраченную красоту, то сохраняете ли его подлинность?

________________

В этих и во многих других вопросах разбирается только квалифицированный специалист!
  • Вам в помощь на сайте представлены эксперты и мастера реставраторы.
  • Спрашивайте, интересуйтесь, задавайте вопросы на нашем форуме.
  • Обучайтесь под непосредственным руководством опытного наставника.

 

Что Вы считаете ГЛАВНЫМ в процессе реставрации? (2018)


Есть ли у вас друзья реставраторы? (2018)


Есть ли у вас друзья реставраторы? (2018)

«Дружба — личные взаимоотношения между людьми, основанные на общности интересов и увлечений, взаимном уважении, взаимопонимании и взаимопомощи». (Дружба—Википедия)

«Знакомство — отношения между людьми, знающими друг друга». (Знакомство—Викисловарь)

ЕЖЕГОДНЫЙ КОНКУРС ЛУЧШИХ РАБОТ ВЕРНИСАЖА И ВЕБ-ПОРТФОЛИО
Система Orphus

Если вы обнаружили опечатку или ошибку, отсутствие текста, неработающую ссылку или изображение, пожалуйста, выделите ошибку мышью и нажмите Ctrl+Enter. Сообщение об ошибке будет отправлено администратору сайта.