Радиометрическое датирование 5
Теоретические принципы и способы измерения С14
жүктеу/скачать 51.85 Kb.
|
| 1.3. Теоретические принципы и способы измерения С14.
В процессе фотосинтеза радиоуглерод попадает в биосферу. При отмирании живых организмов ассимиляции С14 прекращается, хотя распад его атомов продолжается. Поэтому содержание С14 в органических материалах является функцией времени, прошедшею с момента их выпадения из углеро- дообменного цикла. В отмерших организмах со временем будет происходить уменьшение содержания С14 вследствие ничем не компенсируемого распада ядер его атомов. Уменьшение количества С14 по сравнению с его содержанием в живом веществе служит мерой времени, прошедшего с момента смерти организма, то есть является возрастом датируемого объекта5. Т.е. если органическое вещество изолировано от источника образования С14, то активюность радиоуглерода в нем уменьшается по обычному экспоненциальному закону радиоактивного распада: А 1 = Ао*ехр (- a*t), где А 1 - удельная активность спустя t лет после выхода образца из обменного резервуара, Aо - удельная активность в начальный момент t=0, a - постоянная радиоактивного распада. Отсюда легко рассчитать возраст исследуемого образца по оставшейся на момент измерения активности С14 : t = 0,693 Т1/2*ln (Aо/A1) (где Т1/2 — период полураспада С14, равный 5730 годам). Обратим внимание, что, когда метод был только предложен, Либби определил величину полураспада в 5568±25 лет. И в течение некоторого времени все пользовались этим значением. Однако по прошествии около 20 лет были проведены несколько серий особо точных измерений периода полураспада с использованием новых технических разработок. В результате была установлена величина полураспада 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 значению Либби, называют радиоуглеродным возрастом, и все знают, что он не соответствует календарному возрасту и возрасту, рассчитанному с точным значением периода. Разница 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. Для определения содержания радиоуглерода используется несколько методов. Газовый метод счета активности С14, разработанный Фризом и Барендсеном в начале 1950-х годов, имел широкое признание в большинстве радиоуглеродных лабораторий. Он основан на синтезе газообразных соединений углерода (СО2, CH4, С3Н6, С2Н2) для пропорционального газового метода счета. Счетчик (сходный по принципу работы со счетчиком Гейгера) наполняли углекислым или иным газом (метаном либо ацетиленом), полученным из образца. Любой радиоактивный распад, происходящий внутри прибора, вызывает слабый электрический импульс. Энергия радиационного фона окружающей среды обычно колеблется в широких пределах, в отличие от радиации, вызванной распадом С14, энергия которого, как правило, близка к нижней границе фонового спектра. Весьма нежелательное соотношение фоновых величин и данных по С14 улучшалось путем изоляции счетчика от внешней радиации. С этой целью счетчик закрывают экранами из железа или высокочистого свинца толщиной в несколько сантиметров. Кроме того, стенки самого счетчика экранируют расположенными вплотную один к другому счетчиками Гейгера, которые, задерживая все космическое излучение, примерно на 0,0001 секунды дезактивируют и сам счетчик, содержащий образец. Метод экранирования сводит фоновый сигнал до нескольких распадов в минуту (образец древесины массой 3 г, относящийся к XVIII в., дает ~40 случаев распада С14 в минуту), что позволяет датировать довольно древние образцы. Преимущество газового метода заключается в применении небольших количеств испытуемого материала (до 0,5-2 г углерода). Широкое применение газового метода ограничивается громоздкостью аппаратуры для очистки углекислоты и продолжительностью процедуры. Примерно с 1965 г. широкое распространение в датировании получил метод жидкостной сцинтилляции. Он основан на способности некоторых растворов преобразовывать часть поглощаемой ими энергии β-излучения в световые вспышки, регистрация которых осуществляется фотоумножителем и электронно-счетной системой. При использовании этого метода, полученный из образца углеродсодержащий газ превращают в жидкость, которую можно хранить и исследовать в небольшом стеклянном сосуде (т.е. концентрируется большое количество углерода в незначительном объеме). В жидкость добавляют специальное вещество (сцинтиллятор), которое заряжается энергией электронов, высвобождающихся при распаде радионуклидов С14. Сцинтиллятор почти сразу испускает накопленную энергию в виде вспышек световых волн. Свет можно улавливать с помощью фотоумножительной трубки. В сцинтилляционном счетчике имеются две такие трубки. Ложный сигнал можно выявить и исключить, поскольку он послан лишь одной трубкой. 13 Сцинтилляционный метод требует тщательной подготовки образцов, поскольку углерод должен быть превращен в бензол (из-за высокого содержания в его молекуле углерода (92%) и хороших сцинтилляционных свойств). Процесс начинается с реакции между диоксидом углерода и расплавленным литием, в результате которой образуется карбид лития. В карбид понемногу добавляют воду, и он растворяется, выделяя ацетилен. Этот газ, содержащий весь углерод образца, под действием катализатора превращается в прозрачную жидкость – бензол. Представленная цепочка химических формул показывает, как углерод в этом процессе переходит из одного соединения в другое. CO2 → Li2C2 → C2H2 → C6H6 диоксид карбид ацетилен бензол углерода лития Современные сцинтилляционные счетчики характеризуются очень низким, почти нулевым, фоновым излучением, что позволяет датировать с высокой точностью образцы возрастом до 50 тысяч лет. За счет технологических ухищрений фоновые уровни для жидкосцинтилляционных спектрометров удалось заметно снизить и сделать лучше, чем для газонаполненных счетчиков. Тем не менее, у них тоже есть минусы: в первую очередь большая величина образца (от сотен грамм), кроме того, рабочее вещество (бензол) является канцерогеном. Прямой масс-спектрометрический метод называют АМС-датировкой. Появление этого метода, связано с современным техническим прогрессом. Принцип метода основан на использовании масс-спектрометра, с помощью которого выявляются все атомы с массой 14; особый фильтр позволяет различать 14N и С14. При использовании этого метода нет необходимости ждать, пока произойдет распад, счет С14 можно осуществить меньше, чем за час; достаточно иметь образец массой в 1 мг.С появлением методики С14 датирования с помощью ускорителя (в данном методе непосредственно считаются частицы 14C, а не акты распада) открылась возможность использования не только микроколичеств (10 мг) традиционных углеродсодержащих материалов, древесного угля, гумуса, карбонатов и др., но и совершенно новых объектов. Например, стало возможным датировать керамику по органическому веществу, сорбированному во время обжига, как по включениям обугленных остатков растений, так и по микроостаткам пищи, пригоревшей к поверхности керамических сосудов. Эта методика успешно применяется также для датирования текстиля, старых карт, строительной извести. Точности измерения содержания радиоуглерода в образцах весьма высоки. Для ускорительной масс-спектрометрии обычным являются измерения на уровне 1%. В особых случаях возможно и лучше. Для радиометрических методов обычным уровнем являются 0,3-0,7%. Несмотря на то, что радиометрические методы дешевле ускорительного, однако, область применения радиометрических методов уже, за счет того, что необходима гораздо большая масса образца. жүктеу/скачать 51.85 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|