ПРО+Не используйте методические пособия в качестве самоучителя. Обучайтесь под руководством опытного наставника.
 

Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему (6)

В последние 15-20 лет был разработан и успешно применяется метод прямого измерения количества радиоуглерода - метод ускорительной масс-спектрометрии. Для этого используют так называемые тандемные ускорители. Отрицательные ионы из источника, находящегося под нулевым потенциалом, ускоряются электричеким полем напряжением от единиц и до десятков миллионов вольт. Там, в терминале ускорителя, уже имея энергию в несколько МэВ на заряд, они, пролетая через очень тонкую пленку, теряют электроны, превращаются в положительные ионы и продолжают ускоряться далее к детектору, который тоже находится под нулевым потенциалом. В принципе, ускорительный масс-спектрометр - это тот же масс-спектрометр. В нем используется то же разделение частиц по массе в магнитных полях. Однако за счет заметно больших энергий удается также использовать различные другие эффекты для сепарации элементов и изотопов. Так азот, например, не образует отрицательных ионов. Использование источника отрицательных ионов сразу позволяет решить вопрос о подавлении изобары. Отделение молекулярных помех происходит на стадии превращения в положительные ионы. При этом в дальнейшем выделяются (и так подбираются энергии) высокие зарядовые состояния - +3 и выше. Молекулы же и радикалы не существуют в таких состояниях, просто разваливаются. И дополнительная селекция по энергии и величине ионизационных потерь частицы (зависит от заряда ядра) происходит в детекторе.

Поскольку в данном методе непосредственно считаются частицы 14C, а не акты распада, размер образца может быть значительно меньше. В настоящее время успешно меряются образцы с содержанием всего лишь 10 микрограмм углерода (т.е. содержащие всего лишь несколько сотен тысяч индивидуальных атомов радиоуглерода).

Измерения опять-таки ведутся относительно стандартного образца, получаемого из бюро стандартов. Также измеряется и образец, не содержащий радиоуглерода, чтобы учесть возможный фон машины, проявляющийся в фальшивых отсчетах в детекторе. Типичное время одного измерения - минуты до десятков минут. Типичые размеры образцов - милиграммы и даже менее. Для проведения измерения на ускорителе углерод исследуемого образца конвертируется в графит, который и используется в источнике отрицательных ионов. Попытки создания надежного источника работающего не с твердым телом - графитом, а с газом, например CO2 пока так и остаются в стадии экспериментов.

Как мы видим, во всех методах образец, после первичной подготовки, заключающейся в удалении загрязнений (вначале механическими, а потом и химическими методами), и затем в выделении устойчивой фракции, должен подвергнуться дальнейшей переработке. Для этого либо синтезируеся рабочий газ детектора, либо органический растворитель, либо графит. Встает особый вопрос, не происходит ли при этих процессах изотопного фракционирования? Не смещаем ли мы изотопное отношение относительно такового в исходном образце? Для мониторинга этой возможности аналогичной процедуре обработки подвергается и стандартный образец, с очень точно известным заранее изотопным отношением. И в дальнейшем измеряется вместе с неизвестными образцами. В абсолютном большинстве случаев это позволяет избежать фракционирования, или, в редких случаях, скорректировать этот эффект. Эффективностьт конвертации углерода образца в рабочее тело для различных методов находится от 100% до порядка 80% Заметного фракционирования не происходит при таких условиях, но все же котроль постоянно ведется. Также параллельно с неизвестными образцами переработке подвергаются контрольные образцы, не содержащие радиоуглерода, так называемые "мертвые". Они позволяют учесть возможное малое загрязнение образца в химических процессах чужеродным радиоуглеродом. Особенно важно это для сверхмалых образцов, где каждый атом на счету. Загрязнение "мертвым" углеродом значительно менее вероятно, поскольку абсолютное большинство углеродсодержащих соединений, окружающих нас, включая нас самих, несет изотопный сигнал современного углерода. Тем не менее, контроль за этим загрязнением ведется по измерениям стандартного образца, прошедшего аналогичную переработку.

Точности измерения содержания радиоуглерода в образцах весьма высоки. Для ускорительной масс-спектрометрии обычным являются измерения на уровне 0.5-1% В особых случаях возможно и лучше. Для радиометрических методов обычным уровнем являются 0.3-0.7%, а некоторые серии измерений были проведены и с 0.1% точностью.

Радиометрические методы дешевле ускорительного, примерно раза в два. Ускорительное радиоуглеродное измерение, в зависимости от образца стоит в районе от $500 до $1000. Однако область применения радиометрических методов уже, за счет необходимости в заметно большей массе образца.

Надо конечно признать, что бывают и ошибки в измерениях, кто от этого застрахован? Но радиоуглеродное сообщество прилагает все возможные усилия, что бы постепенно свести их к минимуму. Регулярно проводятся межлабораторные тесты-калибровки, анализ слепых образцов. Вот, например здесь (<http://www.radiocarbon.org/Announcements/FIRI-results.html>) представлен предварительный отчет по последнему такому мероприятию в 2000-2001 годах в котором принимало участие 49 лабораторий из 20 стран. Обратите внимание на Таблицу 2 - какое согласие результатов с неизвестными тестами. Конечно, можно сказать, что дескать есть и расхождение. Да есть, но на каком уровне? Кто говорил об ошибках в тысячи лет?

И упражнение это не прошло даром. Анализ показал, что основная причина ошибок - небольшой разнобой в стандартах между рядом лабораторий. Лаборатории такие вещи воспринимают очень серьезно, и к следущему подобному упражнению можно ожидать заметного улучшения в этом вопросе.

Итак, мы очень точно и аккуратно померили содержание радиоуглерода в исследуемом образце. Мы выделили устойчивую фракцию, и уверены, что она сохранилась с момента "смерти" образца. Мы знаем, что наш образец происходит из организма или системы, бывшей когда-то в равновесии и обмене с атмосферой. Как же нам узнать возраст, время, прошедшее с момента выхода образца из оборота, из обмена с атмосферой? Мы можем, конечно, рассчитать возраст в предположении, что уровень радиоуглерода в атмосфере был постоянен и равен современному. Именно так, кстати, и делал Либби в пионерских измерениях. Но ведь мы знаем, что это возможно не так. Массу причин вариаций содержания атмосферного радиоуглерода мы рассматривали выше. А кроме того, как мы рассматривали выше, ведь существуют и процессы изотопного фракционирования, которые тоже могут воздействовать на содержание радиоуглерода в образце. Это, например, довольно существенно для растений, водных организмов, да и многих других объектов.

Давайте поэтому аккуратно рассмотрим, как же рассчитывается возраст образца, чтобы увидеть ответ на все эти вопросы.

Итак, как мы уже не раз повторяли, активность образца или количество атомов 14C (изотопное отношение) измеряются относительно современного стандарта - эталона.

Международный радиоуглеродный стандарт - это 95% измеряемой активности (или изотопного отношения 14C/12C) образца щавелевой кислоты SRM4990, приготовленной американским национальным бюро стандартов. Коэффициент 0.95 выбран таким образом, чтобы стандарт оказался равным по активности древесине из года 1950 нашей эры. Причем надо отметить, что настоящая древесина из 1950 года как раз и не соответствует стандарту, из-за эффекта Зюсса (индустриального) и бомб-эффекта. Величина была выбрана, как если бы этих эффектов не было. Возможно выбранный стандарт не самый лучший, и многие с этим согласны. Но уж так сложилось исторически, что он был первым международно-признанным, позволил устранить многие разногласия между различными лабораториями. Пока что все радиоуглеродное мировое сообщество пользуется именно этим стандартом, и менять его не спешит.

Итак, после измерений образца, эталона и фонового сигнала рассчитывается отклонение образца от эталона по формуле ниже. Фоновый сигнал, очевидно, заранее вычитается из обоих значимых измерений:

d14C = (S/M - 1) * 1000 permill

Здесь S - активность образца, M - активность эталона.

Помимо собственно радиоуглеродного измерения в образце также измеряется изотопное отношение 13C/12C. Обычно для этого отделяют очень малую фракцию образца и проводят масс-спектрометрические измерения. Требования на размер образца для масс-спектрометра весьма незначительны. Такое измерение позволяет также контролировать возможное изотопное фракционирование на этапе обработки образца и эталона. Изотопное отношение 13C/12C также измеряется в виде отклонения от международного стандарта (так называемый PDB стандарт, от Pee Dee Belemnite, Belemnita Americana из известняковой формации Pee Dee из Южной Каролины) и выражется в виде d13C. Как мы знаем, величина эта весьма вариабельна для различных растений, морских организмов, животных, неорганических образований.

Для того, чтобы было возможно прямое сравнение радиоуглеродных измерений для различных образцов их все приводят (пересчитывают) в стандартному изотопному сдвигу d13C = - 25 permill

D14C = d14C - 2(d13C + 25)(1 + 10-3d14C) permill

Эта величина была выбрана не случайно. Величины в окрестности d13C = - 25 permill весьма типичны для большинства деревьев. А поскольку девесина и связанные с ней вещи представляют собой большинство радиоуглеродных образцов, то выбор сдвига вполне очевиден. Очевидно, что для образцов с d13C = - 25 permill получается D14C = d14C. Дополнительный и очень важный аргумент мы добавим еще в дальнейшем.

Итак, после введения поправки на изотопный сдвиг рассчитывается радиоуглеродный возраст образца:

Возраст = 8033 ln (1/(1 + 10-3D14C)) лет BP

Здесь константа 8033 - это постоянная распада для Либбиевского периода полураспада 5568 лет. Подчеркнем еще раз - этот возраст, называемый "радиоуглеродный возраст" не является календарным возрастом, измеряется в годах BP (before present, present =1950 AD), т.н. "радиоуглеродных годах", которые в общем случае не равны календарным.

Например, для образца измерили D14C = -900 +/- 20 permill (не очень высокая точность).

Тогда радиоуглеродный возраст будет = 18500 +1800-1500 лет BP.

Для перехода к календарному возрасту в календарных годах радиоуглеродный возраст подвергают процедуре называемой "калибровкой". Она заключается в том, что на графике с некоей кривой, где по оси X отложены календарные года, а по оси Y радиоуглеродные, находят календарные года, соотверствующие определенным радиоуглеродным (см. например рисунок в <http://units.ox.ac.uk/departments/rlaha/orau/01_04.htm>).

В чем смысл этой операции, откуда взялась эта кривая, и что таким образом достигается?

Как мы говорили выше, для расчета возраста образца необходимо учесть вариабельность содержания радиоуглерода в атмосфере и возможное изотопное фракционирование. Изотопное фракционирование, как мы видели, учитывается на стадии расчета "радиоуглеродного" возраста. А вот вариабельность атмосферного содержания и учитывается при калибровке. Т.е. если бы атмосфера всегда имела постоянное содержание, калибровка бы была не нужна (и "радиоуглеродный" возраст рассчитывается именно в этом предположении). Откуда берется эта калибровочная кривая, которая дает связь между радиоуглеродным и календарным возрастом?

Как мы обсуждали в начале статьи, существует много различных причин изменения атмосферного содержания радиоуглерода. И действуют они все вместе и независимо. Так что рассчитать и предсказать поведение радиоуглерода в атмосфере, что в прошлое, что в будущее пока возможным не представляется. Так что калибровочная кривая - не расчетная. А вот восстановить какая была концентрация радиоуглерода в атмосфере в прошлые годы можно. Для этого достаточно промерить радиоуглеродное содержание в точно датированных образцах колец деревьев, и мы получаем точную запись радиоуглеродного поведения в атмосфере. Затем, зная для каждого года отклонение от принятого "стандартного" уровня на 1950 год нашей эры можно легко найти необходимую поправку к радиоуглеродному возрасту для перехода в календарный.

Причем "неточность" Либбиевского периода полураспада и корректировочный коэффициент 1.03 может тоже быть учтен на этой же стадии простым включением в калибровочную кривую.

Мы уже обсуждали выше, что целлюлоза колец деревьев точно отражает текущее атмосферное состояние. Это положение было неоднократно подтверждено в экспериментах. Кроме того, мы знаем, что атмосфера является хорошо перемешанным резервуаром. Т.е. при усреднении за год или более радиоуглеродное содержание одинаково по всей поверхности Земли (в первом приближении, см. например атмосферные данные <http://cdiac.esd.ornl.gov/epubs/ndp/ndp057/ndp057.htm>). Таким образом, составив кривую для одного какого-либо дерева ее можно использовать для всех остальных регионов. Причем погодное разрешение даже не нужно, все равно существует ошибка измерения, отражаемая в радиоуглеродном возрасте, которая больше одного года.

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.