Никогда не задумывались, как именно ученым удается понять, к какой эпохе относится та или иная мумия или кость? Все дело в полураспаде радиоактивных изотопов. Одним из методов датировки органических ископаемых является анализ содержания в них углерода-14.
Когда первичные космические лучи, неустанно бомбардирующие Землю, попадают в ядра атомов в атмосфере Земли, они создают большое число вторичных частиц – пионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и фотонов. При столкновении нейтрона с ядром азота-14 (7 протонов и 7 нейтронов) образуется ядро углерода-14 (6 протонов и 8 нейтронов) и высвобождается протон (ядро атома водорода, один протон и ноль нейтронов). Углерод-14 – радиоактивный элемент. Период его полураспада составляет пять тысяч семьсот лет.
Углерод-14, который создают космические лучи, вступает в реакцию с кислородом и образует углекислый газ, усваиваемый растениями в процессе фотосинтеза. Люди и животные едят растения и тоже получают углерод-14. Относительное содержание углерода-14 по отношению к «обычному» (углероду-12) в атмосфере остается примерно постоянным (приблизительно 1:109), и в живых организмах соотношение примерно такое же. Атомы углерода-14 постоянно распадаются на азот-14 (и электрон), но в организм регулярно поступают новые. Так что пропорция всегда сохраняется.
Но как только организм умирает, углерод в него поступать перестает. И если на момент смерти соотношение содержания углерода-14 и обычного углерода известно, то со временем оно меняется, так как углерод-14 распадается (период полураспада составляет около 5700 лет), а «обычный» углерод – нет. Таким образом, определив отношение содержания углерода-14 и углерода-12, при помощи следующей формулы можно довольно точно определить возраст останков найденного организма.
t = [ln (No/Nf) / ln(2)] x t1/2
ln – это натуральный логарифм, No/Nf – соотношение содержания углерода-14 в живой ткани и его содержания в образце, а t1/2 – период полураспада углерода-14 (5700 лет
ln(1/0, 05) = 2, 996
ln(2) = 0, 693
2, 996/0, 693 = 4, 32
4, 32х5700 = 24624 (года)
Так как период полураспада углерода-14 составляет всего 5700 лет, подобная датировка будет точной только для ископаемых организмов, возраст которых не превышает 40–60 тысяч лет. Но тот же принцип датировки применяется и на базе других элементов – таких как калий-40 (период полураспада составляет 1, 3 млрд. лет), уран-235 (704 млн. лет), уран-238 (4, 5 млрд. лет) и т.д. C помощью датирования по урану-238 геологи, например, довольно точно определяют возраст гранитов.
Радиоуглеродное датирование исходит из предположения, что количество углерода-14 в атмосфере на протяжении последних 40–60 тысяч лет остается примерно постоянным. На самом деле оно колеблется, и поэтому можно рассчитать лишь примерный возраст. Чтобы определить возраст образцов с большей точностью, требуется знать содержание углерода-14 в атмосфере для различных эпох. Эти данные получают, анализируя находки, возраст которых можно точно определить – например, деревья с годичными кольцами и т.п.
Единственная проблема заключается в том, что для объектов, умерших после 1940 года, когда человечество открыло для себя ядерную энергию, из-за выбросов радиоактивных веществ в атмосферу подобная датировка будет неточной.
Метод радиоуглеродного датирования был предложен в 1950 году Уиллардом Либби. В 1960-м за изобретение этого метода Либби получил Нобелевскую премию по химии.
Что такое полураспад
Все атомы радиоактивных изотопов подвержены радиоактивному распаду, в результате которого они превращаются в атомы других элементов. Глядя на данный конкретный атом, мы не смогли бы определить, когда он распадется. Но если взять большое количество таких атомов, можно с уверенностью сказать, что половина из них наверняка распадется в течение вполне определенного промежутка времени. Это время и называется временем полураспада радиоактивного изотопа.