Критическое исследование хронологии древнего мира. Античность. Том 1 - Михаил Постников

Значит, достаточно измерить, насколько уменьшилась удельная радиоактивность умершего организма по сравнению с живыми, чтобы определить, как давно этот организм перестал обновлять свои клетки — как давно срублено дерево, подстрелена птица, умер человек. Конечно, это нелегко: радиоактивность природного углерода очень слаба (даже до смерти организма — один атом C14 на 10 млрд. атомов нормального углерода). Однако Либби разработал средства и приемы измерения и пересчета — так появился радиоуглеродный метод определения возраста древних объектов» ([б1], стр. 52–53).

Обсудим же подробнее физические основы радиоуглеродного метода датировки.

Физические основы радиоуглеродного метода 

Атмосферу Земли пронизывают нейтроны, плотность потока которых меняется с высотой и геомагнитной широтой. Так, например, максимальное количество нейтронов находится на высоте примерно 12 км, а вблизи поверхности Земли плотность потока нейтронов уменьшается до нуля. На широте Парижа плотность этого потока (на равной высоте) в три раза больше его потока на широте Алжира (см. [65], стр. 138–139).

Отсюда можно сделать три вывода:

1) нейтроны возникают в стратосфере под действием космических лучей, т.е. представляют собой вторичные частицы космического излучения;

2) первичные космические лучи, порождающие нейтроны, являются потоком заряженных частиц;

3) возникшие нейтроны почти немедленно поглощаются газами воздуха, так что до поверхности Земли доходит их ничтожное количество.

Число нейтронов в минуту, возникающих в земной атмосфере, равно (см. [65] стр. 139) приблизительно 6x1020 нейтронов/мин с ошибкой +/-25%.

Таким образом, каждую минуту на Земле возникает от 4,5х1020 до 7,5х1020 нейтронов. Эти нейтроны сталкиваются с атомами атмосферного азота и кислорода, вступая с ними в ядерную реакцию. «Сравнительно небольшое число нейтронов достигает поверхности Земли, и резонно предположить, что каждый нейтрон, рождаемый космическими лучами, создает атом радиоуглерода, следовательно, скорость образования нейтронов равна скорости образования радиоуглерода. Это составляет примерно 7,5 кг радиоуглерода в год» ([65], стр. 104).

Период полураспада радиоуглерода C14 равен примерно 5600 лет, так что 1% радиоуглерода распадается примерно за 80 лет.

Отсюда легко определить, что равновесное количество C14 на Земле составляет примерно 60 тонн (с ошибкой +/-25%, т.е. от 45 до 75 тонн). Это означает, что в современном образце один атом радиоуглерода приходится на 0,8х1012 атомов обыкновенного углерода, откуда следует (см. [65], стр. 143), что в одном грамме природного углерода происходит в среднем 15 распадов в минуту.

Образовавшийся радиоуглерод перемешивается в атмосфере, поглощается океанами и усваивается организмами. Сфера распространения углерода называется обменным углеродным резервуаром. Он состоит (см. [63], стр. 30) из атмосферы, биосферы, поверхностных и глубинных океанических вод. Если принять содержание углерода в биосфере за 1, то атмосфера будет содержать 2 единицы, почва и поверхностные воды океана — по 3 единицы, а глубинные воды океана — 120 единиц. Таким образом, подавляющая масса углерода похоронена в глубине океана.

«Под радиоуглеродным возрастом подразумевается время, прошедшее с момента выхода объекта из обменного фонда до момента измерения C14 в образце» ([63], стр. 32).

Гипотезы, лежащие в основе радиоуглеродного метода 

Идея измерения радиоуглеродного возраста очень проста. Для этого достаточно знать:

1) содержание радиоуглерода в объекте в момент выхода объекта из обменного фонда;

2) точный период полураспада радиоуглерода C14.

После этого, взяв достаточный объем образца, следует измерить количество радиоуглерода в настоящий момент и простым вычитанием и делением вычислить время, которое прошло с момента выхода объекта из обменного резервуара до момента измерения. Однако на практике эта простая идея встречается со значительными трудностями. Во–первых, что значит «момент выхода объекта из обменного резервуара»? Первоначальная гипотеза Либби состояла в том, что этот момент совпадает с моментом смерти объекта. Не говоря уже о том, что момент смерти может отличаться от момента, интересующего историков (например, кусок дерева из гробницы фараона может быть срублен значительно раньше времени постройки гробницы), ясно, что отождествление момента выхода объекта из обменного резервуара с моментом смерти верно только в «первом приближении», так как после смерти обмен углерода не прекращается, он лишь замедляется, приобретая другую форму, и это обстоятельство необходимо учитывать.

Известно (см. [63], стр. 31) по крайней мере три процесса, протекающие после смерти и приводящие к изменению содержания радиоуглерода в образце:

1) гниение органического образца;

2) изотопный обмен с посторонним углеродом;

3) абсорбция углерода из окружающей среды.

Эйткин пишет: «…единственно возможный тип разложения — это образование окиси или двуокиси углерода. Но этот процесс не имеет значения, так как он связан только с уходом углерода» ([65], стр. 149). По–видимому, здесь Эйткин имеет в виду, что, поскольку окисление изотопов углерода происходит с одинаковой скоростью, оно не нарушает процентного содержания радиоуглерода. Однако в другом месте он пишет: «Хотя C14 в химическом отношении идентичен C12, его больший атомный вес непременно проявляется в результате процессов, имеющих место в природе, механизм обмена между атмосферным углекислым газом и карбонатом океана обусловливает несколько большую (на 1,2%) концентрацию C14 в карбонатах; наоборот, фотосинтез атмосферной углекислоты в растительном мире Земли приводит к несколько меньшей (в среднем на 3,7%) концентрации C14 в последнем» ([65], стр. 159).

Ссылаясь на Крега, Эйткин (см. [65], стр. 143) сообщает, что меньше всего радиоуглерода в биосфере и гумусе и больше всего (на 4,9%) в неорганических веществах в морской воде. Нам неизвестно, каково различие в скорости окисления изотопов углерода при процессах гниения, но данные Крега заставляют полагать, что это различие должно быть вполне заметно, во всяком случае, процесс окисления углерода является обратным процессом к процессу его фотосинтеза из атмосферного газа, и потому изотоп C14 должен окисляться быстрее (с большей вероятностью), чем изотоп C12. Следовательно, в гниющих (или гнивших) образцах концентрация радиоуглерода C14 должна уменьшиться (т.е. они должны «постареть»).

Другие возможности обмена углерода между образцами и обменным резервуаром, по–видимому, вообще трудно количественно учесть. Считается, что «наиболее инертны обугленное органическое вещество и древесина. У известковой части костей и карбонатов раковин, наоборот, часто наблюдается изменение изотопного состава» ([63].стр. 31). Поскольку учет возможного обмена углерода, таким образом, практически нереален, при измерениях его фактически игнорируют. Стандартные методики радиоуглеродных измерений обсуждают в лучшем случае лишь способы очистки образца от постороннего радиоуглерода и причины возможного загрязнения образца. Например, советский специалист С.В. Бутомо ограничивается утверждением, что «обугленное органическое вещество и хорошо сохранившаяся древесина в большинстве случаев достаточно надежны» ([63], стр. 31) а Эйткин к этому добавляет, что «При работе с любым образцом надо тщательно очистить его от чужеродных корешков и волокон, а также обработать кислотой, чтобы растворить всякие осадочные карбонаты. Для удаления гумуса можно промыть образец в щелочном растворе» ([65], стр. 149).

Обратим внимание, что вопрос, не меняет ли эта «химическая очистка» содержания радиоуглерода, даже не ставится.

Изменение содержания радиоуглерода в обменном фонде 

Вторая гипотеза Либби состоит в том, что содержание радиоуглерода в обменном резервуаре не меняется со временем. Эта гипотеза также, конечно, неверна, и эффекты, влияющие на изменение с течением времени содержания радиоуглерода в обменном фонде, необходимо учитывать.

Если в момент смерти объекта содержание радиоуглерода в обменном резервуаре отличалось от современного на 1%, то при расчете возраста такого образца возникнет ошибка примерно на 80 лет; 2% дадут ошибку на 160 лет и т.д. Отклонение в 10% даст ошибку в возрасте на 800 лет, а при еще больших отклонениях линейный закон нарушится и отклонение, скажем, в 20% приведет к ошибке в определении возраста не на 1600 лет, а на 1760 лет.

Эйткин указывает следующие эффекты, влияющие на содержание радиоуглерода в обменном резервуаре:

1) изменение скорости образования радиоуглерода (в зависимости от изменения интенсивности космического излучения);