Радиоуглеродный анализ и оптическое датирование
Все слышали о том, что для определения возраста найденных останков мамонтов и древних людей используют радиоуглеродный анализ. Давайте разберемся - что это такое.
Наша атмосфера примерно на 78% состоит из азота, и она находится под постоянным ливнем элементарных частиц, прилетающих к нам от Солнца и из далекого космоса. Азот - 7 элемент в периодической таблице, поэтому мы делаем вывод, что у него в ядре семь протонов. Обычный, самый распространенный стабильный азот содержит также и семь нейтронов в ядре. Когда несущийся их космоса нейтрон попадает в атом атмосферного азота, то он спокойно пролетает через электронную оболочку, ведь у нейтрона нет электрического заряда, и электроны его не отталкивают. Если он к тому же еще и попадает в ядро, то может выбить оттуда или протон, или нейтрон.
Если он выбивает нейтрон, то получившийся вариант азота (по-научному - изотоп азота) теперь имеет 7 протонов и 6 нейтронов. Такой изотоп нестабилен (то есть является радиоактивным) и начинает быстро распадаться - уже через 10 минут каждый второй такой изотоп распадется, еще через 10 минут распадется половина оставшихся изотопов и т.д.
А вот если быстрый космический нейтрон выбивает из ядра не нейтрон, а протон, то в ядре останется 6 протонов, и значит наш атом азота превратился в атом углерода. Но это будет необычный атом углерода. В обычном - самом распространенном, 6 протонов и 6 нейтронов (такой углерод называется углерод-12), а в том углероде, что получился из азота, поглотившего тепловой нейтрон, будет 6 протонов и 8 нейтронов (углерод-14). Такой изотоп углерода тоже нестабилен (тоже чуть-чуть радиоактивен), но половина имеющегося его количества распадется через 5730 лет
И это очень здорово, нам очень повезло, что период полураспада углерода-14 именно такой, а не несколько минут, дней или недель - это дало нам возможность заглядывать в прошлое.
Органика, из которой состоят наши тела, содержит в себе огромное количество углерода, и мы в течение своей жизнедеятельности постоянно его потребляем вновь и вновь, ведь мы едим еду, а эта еда образовалась в результате того, что растения фиксируют углекислый газ СО2 из атмосферы, и мы едим эти растения и животных, которые ели растения или животных, которые ели растения.
Теперь надо учесть, что под действием космических лучей постоянно образуется небольшая примесь изотопа углерода-14, а значит во всех растениях и животных в процессе их жизни поддерживается одинаковая концентрация С-14, ведь сколько изотопов из нас вышло, столько и вошло - мы пропускаем через себя атомы, и в любой момент времени в наших телах столько же радиоактивных изотопов С-14, сколько их вообще в природе. И мы знаем эту концентрацию - её легко измерить.
Если животное умирает, то оно перестает есть. И это означает, что оно перестает потреблять новый С-14 с пищей. А тот С-14, который уже входил в состав его тела, продолжает распадаться согласно законам физики. И того С-14, который еще не распался, становится в останках тела всё меньше и меньше.
Как мы уже сказали, половина всего объема С-14, который был в теле животного на момент его смерти, распадется через 5700 лет (этот период времени называется периодом полураспада). Еще через 5730 лет в останках животного останется только четверть от изначального уровня С-14. Еще через 5730 лет - одна восьмая и т.д.
Теперь все просто: мы откапываем мамонта, или мы находим на стоянке древнего человека остатки чьей-нибудь кости, или среди золы находим любую другую органику, кусочки дерева - неважно. Главное - чтобы это была именно органика.
Теперь мы сжигаем мелкий образчик этой органической ткани и высчитываем - сколько там осталось С-14. И легко можем вычислить - когда это животное умерло.
Предельный возраст образца, который может быть точно определён радиоуглеродным методом - около 60 000 лет, то есть около 10 периодов полураспада. Потом остаточного С-14 становится в органической ткани уже так мало, что мы точно не можем определить его количество.
Погрешность метода в настоящее время находится в пределах от семидесяти до трёхсот лет - смотря какой исходный образец, смотря как он сохранился, смотря какие искажающие влияния он претерпел. Совсем неплохая точность, когда речь идет о десятках тысяч лет!
Но есть ли какой-то другой способ, с помощью которого мы могли бы датировать органические останки животных, вымерших сотни тысяч лет назад? Разумеется есть.
Данный метод называется "оптическое датирование" или "люминесцентное датирование". Сейчас попробую в самых общих чертах объяснить его суть.
В отличие от радиоуглеродного метода, оптическому датированию подвергаются неорганические соединения, чаще всего - обычный песок. Представим себе, что какой-нибудь древний буллокорнис отложил яйца в австралийский песок и закопал их. Птенцы вылупились и ушли, а скорлупа осталась в песке, и спустя несколько лет песок окончательно погреб под собой осколки скорлупы.
Теперь пришли ученые, откопали скорлупу и взяли образцы песка/шпата, причем так, чтобы на них ни в коем случае не попал дневной свет. Дело в том, что в любой породе есть радиоактивные элементы, например уран, торий, рубидий, калий. Они медленно распадаются в течение долгого времени, и испускаемое ими ионизирующее излучение поглощается песком. Дальше - самое интересное. Кристаллическая структура песка или полевого шпата имеет множество дефектов. В результате, когда ионизирующее излучение бьет по атомам, многие электроны вырываются со своих электронных орбит. Затем, испуская фотон, электроны возвращаются обратно на свои орбиты. Но не все! Именно за счет кристаллических дефектов некоторые выбитые со своей орбиты электроны имеют недостаточно энергии, чтобы вернуться домой, и остаются в межатомных ловушках (находящиеся между узлами кристаллической решетки), постепенно накапливаясь там. Но стоит только обычному свету осветить песчинку, как фотоны света передают электронам достаточно энергии, чтобы они вернулись на свои места, и ловушки опустеют. Именно поэтому образцы песка должны быть извлечены и переданы в лабораторию так, чтобы на них не попадал свет.
Когда эту песчинку доставляют в лабораторию и облучают светом определенной длины волны, после чего электроны испускают энергию в виде фотонов и возвращаются на свои орбиты. Замерив количество выпущенных фотонов таким образом узнаем сколько электронов было захвачено. И, разделив это количество на количество ежегодно попадаемых в ловушку электронов, мы теперь можем узнать возраст образца.
Измеряемые минералы — это обычно кварц или полевой шпат с гранулами размера песчинок, либо неразделённые гранулы размера пылинок.Для кварца обычно используется синий или зелёный возбуждающий свет и измеряется эмиссия в близком ультрафиолете. Для полевого шпата или пылевидных гранул обычно используется возбуждение в ближнем инфракрасном спектре и измеряется фиолетовая эмиссия.
Таким образом мы можем довольно точно измерять возраст образцов органики и окаменевшей органики от нескольких сотен до 100 000 лет, что позволяет нам определять время жизни представителей разной флоры и фауны, жившей в те эпохи, предшествующие нашей. Можно измерить возраст и вне этого диапазона, но уже с меньшей надежностью.