Datare cu radiocarbon

Datarea cu radiocarbon este un tip de metodă de datare cu radioizotop utilizat pentru a determina vârsta resturilor organice prin măsurarea conținutului de izotop radioactiv 14 C în raport cu izotopii stabili de carbon . Metoda de datare cu radiocarbon a fost propusă de Willard Libby în 1946 , pentru care a fost distins cu Premiul Nobel pentru Chimie.1960. Metoda se bazează pe faptul că organismele vii absorb cu alimente atât carbonul neradioactiv, cât și carbonul radioactiv, care este produs constant în atmosferă datorită efectului razelor cosmice asupra azotului atmosferic. După moartea unui animal sau a unei plante, schimbul de carbon cu mediul încetează, 14 C din rămășițe se descompune treptat, iar activitatea sa specifică reziduală poate fi utilizată pentru a estima momentul morții organismului. Pentru a clarifica vârsta, este necesar să folosiți curbele de calibrare. În 2020, au fost adoptate noi versiuni ale curbelor de calibrare pentru emisfera nordică (IntCal20) [1] , emisfera sudică (SHCal20) [2] și probe marine (Marine20) [3] , care permit datarea eșantioanelor de până la 55.000 de ani . 4] [5] .

Fundamente fizice

Carbonul , fiind unul dintre elementele principale în compoziția organismelor biologice, este prezent în atmosfera terestră sub formă de izotopi stabili 12 C (98,89%) și 13 C (1,11%) și radioactiv 14 C, care este prezent în urme. cantități (aproximativ 10-10  %. Izotopul 14C se formează în mod constant în principal în straturile superioare ale atmosferei la o înălțime de 12-15 km în ciocnirea neutronilor secundari de la razele cosmice cu nucleele de azot atmosferic:

În medie, aproximativ 7,5 kg de radiocarbon se formează pe an în atmosfera Pământului, cu o cantitate totală de ~ 75 de tone .

Formarea radiocarbonului datorită radioactivității naturale pe suprafața Pământului este neglijabilă.

Radioizotopul carbonului 14 C suferă β − dezintegrare cu un timp de înjumătățire T 1/2 = 5,70 ± 0,03 mii ani [6] , constantă de dezintegrare λ = 1,216 10 −4 ani −1 :

Raportul dintre izotopii de carbon radioactivi și stabili din atmosferă și din biosferă este aproximativ același datorită amestecării active a atmosferei, deoarece toate organismele vii sunt implicate în mod constant în metabolismul carbonului, primind carbon din mediu, iar izotopii, datorită indistinguibilitatea lor chimică, participă la procesele biochimice practic în același mod.

Activitatea specifică a carbonului în organismele vii care schimbă carbon cu un rezervor atmosferic corespunde conținutului atmosferic de radiocarbon și este de 13,56 ± 0,07 descompuneri pe minut per gram de carbon. Odată cu moartea organismului, metabolismul carbonului încetează. După aceea, izotopii stabili sunt păstrați, iar radioactivul ( 14 C) se descompune treptat, ca urmare, conținutul său în rămășițe scade treptat. Cunoscând raportul inițial al conținutului de izotopi din organism și determinând raportul curent al acestora în materialul biologic prin metoda spectrometrică de masă sau prin măsurarea activității prin metode dozimetrice, se poate stabili timpul care a trecut de la moartea organismului. .

Utilizare

Pentru a determina vârsta, carbonul este eliberat dintr-un fragment din proba studiată (prin arderea unui fragment purificat anterior), radioactivitatea este măsurată pentru carbonul eliberat și, pe baza acestuia, se determină raportul izotopului, care arată vârsta mostre. Proba de carbon pentru măsurarea activității este de obicei introdusă în gaz, care este umplut cu un contor proporțional , sau într-un scintilator lichid . Recent, pentru conținuturi foarte mici de 14 C și/sau mase foarte mici de probe (câteva mg), a fost utilizată spectrometria de masă cu accelerator , care vă permite să determinați direct conținutul de 14 C. Pentru 2020, limita de vârstă a unui proba care poate fi determinată cu precizie prin datare cu radiocarbon este de aproximativ 55 000 de ani [5] , adică aproximativ 10 timpi de înjumătățire. În acest timp, conținutul de 14 C scade de aproape 1000 de ori (până la aproximativ 1 descompunere pe oră per gram de carbon).

Măsurarea vârstei unui obiect prin metoda radiocarbonului este posibilă numai atunci când raportul izotopului din probă nu a fost încălcat în timpul existenței sale, adică proba nu a fost contaminată cu materiale care conțin carbon de origine ulterioară sau anterioară, substanțe radioactive și nu a fost expus la surse puternice de radiații. Determinarea vârstei unor astfel de probe contaminate poate duce la erori uriașe. De-a lungul deceniilor de la dezvoltarea metodei, s-a acumulat o mare experiență în detectarea contaminanților și în purificarea probelor din aceștia. Pentru datare, componentele cel mai puțin contaminate sunt izolate din probe prin metode chimice. Datarea cu radiocarbon a resturilor de plante folosește celuloză , în timp ce datarea oaselor, coarnelor și a altor rămășițe de animale eliberează colagen . De asemenea, este posibilă datarea în funcție de reziduurile acizilor grași, cum ar fi palmitic și stearic , de exemplu, ceramică [7] [8] . Eroarea metodei pentru 2019 variază de la 24 de ani (eșantioane de la începutul secolului al XV-lea) la 1600 de ani (eșantioane ~47 mileniu î.Hr. ) [9] .

Unul dintre cele mai cunoscute cazuri de utilizare a metodei radiocarbonului este studiul fragmentelor din Giulgiul din Torino , realizat în 1988 , simultan în mai multe laboratoare folosind metoda oarbă . Analiza radiocarbonului a făcut posibilă datarea giulgiului în perioada secolelor XI - XIII . Scepticii consideră acest rezultat ca o confirmare a faptului că giulgiul este un fals medieval. Susținătorii autenticității relicvei consideră că datele obținute sunt rezultatul contaminării giulgiului cu carbon în timpul unui incendiu și al spălării ulterioare în ulei clocotit în secolul al XVI-lea.

Calibrarea și acuratețea metodei

Ipotezele inițiale ale lui Libby, pe care se bazează metoda de datare cu radiocarbon, sunt că raportul izotopilor de carbon din atmosferă nu se modifică în timp și spațiu, iar conținutul de izotopi din organismele vii corespunde exact stării actuale a atmosferei. Cu toate acestea, după cum sa stabilit mai târziu, aceste ipoteze sunt doar aproximativ valabile. Conținutul izotopului de 14 C din atmosferă depinde de mulți factori, cum ar fi:

Ultimii doi factori fac imposibilă datarea precisă cu radiocarbon a probelor din secolul al XX-lea.

În plus, studiile au arătat că, din cauza diferenței dintre masele atomice ale izotopilor de carbon, reacțiile chimice și procesele din organismele vii au loc cu viteze ușor diferite, ceea ce încalcă raportul natural al izotopilor (așa-numitul efect de fracționare a izotopilor ) [12]. ] . Un alt efect important (efectul rezervor ) este atingerea întârziată a echilibrului radiocarbonului în Oceanul Mondial datorită schimbului său lent [13] de carbon cu rezervorul atmosferic, care, dacă nu este corectat, duce la o creștere aparentă a vârstei resturilor. a organismelor marine, precum și a acelor organisme terestre a căror dietă consta în principal din alimente marine. Înțelegerea proceselor asociate cu metabolismul carbonului în natură și influența acestor procese asupra raportului izotopilor din obiectele biologice nu a fost realizată imediat. Astfel, utilizarea metodei radiocarbonului fără a ține cont de aceste efecte și de corecțiile introduse de acestea poate genera erori semnificative (de ordinul unui mileniu), care s-au întâmplat adesea în fazele incipiente ale dezvoltării metodei, până în anii 1970. .

În prezent, pentru aplicarea corectă a metodei, s-a efectuat o calibrare minuțioasă, ținând cont de modificarea raportului de izotopi pentru diferite epoci și regiuni geografice, precum și de specificul acumulării de izotopi radioactivi la ființele vii. si plante. Pentru calibrarea metodei se folosește determinarea raportului izotop pentru obiectele a căror datare absolută este cunoscută. O sursă de date de calibrare este dendrocronologia . O urmă izotopică distinctă din furtuna solară din 992 a fost găsită în arhivele anuale de inele din întreaga lume [14] (vezi Miyake Events ). De asemenea, am comparat determinarea vârstei probelor prin metoda radiocarbonului cu rezultatele altor metode de datare izotopică. În prezent, IntCal este utilizat ca curbă de calibrare standard, a cărei primă versiune a fost publicată în 1998 (vezi Fig.) [10] . Următoarele versiuni revizuite ale curbei de calibrare utilizate pentru a converti vârsta radiocarbonului măsurată a unui eșantion în vârsta absolută au fost publicate în 2004, 2009 [15] și 2013. Curba de calibrare IntCal13 este trasată separat pentru emisferele nordice și sudice (SHCal13), acoperind ultimii 50.000 de ani și derivată din mii de măsurători ale inelelor de copac datate cu precizie (ultimii 12.000 de ani ), creșteri anuale de corali și depozite de foraminifere . Comparația sedimentelor de pe fundul lacului japonez Suigetsu pentru o perioadă de acum 12.000 până la 40 de mii de ani cu informațiile obținute de dendrocronologi în analiza inelelor copacilor a condus la introducerea unor corecții care au mutat datele înapoi cu 300-400 de ani . 16] [17] . Calibrarea offshore este efectuată pe o curbă separată Marine13, deoarece rata de schimb de carbon într-un rezervor marin este mai lentă decât cea atmosferică.

În forma sa modernă, datorită creării scalelor de calibrare IntCal20, SHCal20 și Marine20 pe un interval istoric (de la zeci de ani la 55 de mii de ani în trecut), metoda radiocarbonului poate fi considerată o metodă independentă destul de fiabilă și calibrată calitativ pentru datând obiecte de origine biologică.

Începând cu 2019, acuratețea marginală a datării cu radiocarbon este de 15 ani (două abateri standard , încredere de 95% ), în timp ce pentru majoritatea perioadelor de timp din ultimii trei mii de ani, eroarea de măsurare datorată erorilor din curba de calibrare va fi de cel puțin 50. ani, iar în ultimii zece mii de ani - cel puțin 100 de ani. O eroare mai mică se realizează în perioadele în care conținutul de 14 C în atmosferă se modifică relativ rapid (părți abrupte ale curbei de calibrare), în timp ce sensibilitatea metodei este mai slabă pe părțile plate ale curbei de calibrare. Eroarea depinde și de starea probelor și de mediul chimic în care au fost localizate. Într-o examinare profesională prin metoda radiocarbonului, expertul indică de obicei intervalul de încredere , în cadrul căruia se află eroarea în vârsta determinată a unei anumite probe [9] .

Trebuie remarcat faptul că la determinarea vârstei radiocarbonului utilizând curba de calibrare, se folosește „timpul de înjumătățire Libby” condiționat pentru 14 C, care este egal prin convenție cu 5568 de ani . Acesta diferă de timpul de înjumătățire de 5,70 ± 0,03 mii de ani , mediat pe cele mai precise măsurători de laborator și citat în bazele de date de fizică nucleară [6] . Această convenție a fost adoptată în 1962 pentru a menține compatibilitatea cu lucrările anterioare. Diferența dintre timpul de înjumătățire condiționat și cel real este deja luată în considerare în curbele de calibrare, astfel încât vârsta radiocarbonului calibrată obținută din acestea este în concordanță cu scara de timp astronomică absolută (dar nu este cazul pentru condiționalul " necalibrat” sau „convențional”, parametrul de intrare al curbei de calibrare) [18] .

Critica metodei

În ciuda faptului că datarea cu radiocarbon face parte de multă vreme din practica științifică și este utilizată pe scară largă, această metodă este criticată în publicațiile aproape științifice și pe internet, punând sub semnul întrebării validitatea utilizării sale pentru datarea artefactelor istorice (în special a unui perioadă ulterioară). De obicei, datarea cu radiocarbon este criticată de susținătorii „ creaționismului științific ”, „ Noua cronologie ” și alte concepte pseudoștiințifice . Câteva exemple de obiecții la datarea cu radiocarbon sunt date în secțiunea Critica metodelor științifice naturale din Noua cronologie a lui Fomenko . De obicei, o astfel de critică a analizei radiocarbonului se bazează pe cele mai vechi publicații științifice care reflectă starea metodologiei în anii 1960 și pe o înțelegere greșită a fundamentelor metodei și a caracteristicilor de calibrare [19] .

Impactul emisiilor de carbon fosil

În 2015, H. Graven ( Colegiul Imperial din Londra ) a calculat [20] că arderea în continuare a combustibililor fosili la ritmul actual din cauza emisiei de carbon „vechi” în atmosferă va duce la indistinguirea radiocarbonului a probelor moderne de cele mai vechi [21]. ] [22 ] (deși mostre care au apărut înainte de industrializare și nu fac schimb de carbon cu atmosfera, acest efect, desigur, nu este afectat). În prezent, eliberarea carbonului fosil în atmosferă duce la o aparentă „îmbătrânire” a carbonului atmosferic cu aproximativ 30 de ani pe an [20] .

Vezi și

Literatură

Note

  1. ↑ Reimer PJ și colab. Curba de calibrare a vârstei radiocarbonului IntCal20 din emisfera nordică (0–55 cal kBP)  (engleză)  // Radiocarbon. - 2020. - Vol. 62 , nr. 4 . - P. 725-757 . — ISSN 0033-8222 . - doi : 10.1017/RDC.2020.41 .
  2. ↑ Hogg A.G. și colab. SHCal20 Calibrarea emisferei sudice, 0–55.000 de ani cal BP   // Radiocarbon . - 2020. - Vol. 62 , nr. 4 . - P. 759-778 . — ISSN 0033-8222 . - doi : 10.1017/RDC.2020.59 .
  3. ↑ Heaton TJ și colab. Marine20—Curba de calibrare a vârstei radiocarbonului marine (0–55.000 cal BP  )  // Radiocarbon. - 2020. - Vol. 62 , nr. 4 . - P. 779-820 . — ISSN 0033-8222 . - doi : 10.1017/RDC.2020.68 .
  4. ↑ van der Plicht J. și colab. Evoluții recente în calibrarea pentru probe arheologice și de mediu  (engleză)  // Radiocarbon. - 2020. - P. 1-23 . — ISSN 1945-5755 0033-8222, 1945-5755 . - doi : 10.1017/RDC.2020.22 .
  5. ↑ 1 2 Kuzmin Ya. V. Noua scară de calibrare a datelor radiocarbon IntCal20 și posibilitățile sale (11.09.2020). Preluat la 17 aprilie 2022. Arhivat din original la 2 martie 2021.
  6. ↑ 1 2 Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. , Audi G. Evaluarea Nubase2020 a proprietăților nucleare  // Chinese Physics  C. - 2021. - Vol. 45 , iss. 3 . - P. 030001-1-030001-180 . - doi : 10.1088/1674-1137/abddae .Acces deschis
  7. ↑ Casanova E. și colab. Datarea precisă 14 C specifică compusului a vaselor de ceramică arheologică  (engleză)  // Natura . - 2020. - Vol. 580 . - P. 506-510 .
  8. ↑ Arheologia în 2020: zece evenimente interesante (recenzie pregătită de E. Antonov) // Science and Life . - 2021. - Nr. 2 . - S. 13 .
  9. ↑ 1 2 Svetlik I. și colab. Cea mai bună rezoluție de timp posibilă: Cât de precisă ar putea fi o metodă de datare cu radiocarbon?  (engleză)  // Radiocarbon. - 2019. - Vol. 61 , iss. 6 . - P. 1729-1740 . — ISSN 1945-5755 0033-8222, 1945-5755 . - doi : 10.1017/RDC.2019.134 . Arhivat din original pe 29 ianuarie 2022. Acces deschis
  10. ↑ 1 2 Stuiver M., Reimer PJ, Braziunas TF Calibrarea vârstei radiocarbonului de înaltă precizie pentru probe terestre și marine  (engleză)  // Radiocarbon. - 1998. - Vol. 40 , iss. 3 . - P. 1127-1151 . Acces deschis
  11. ↑ Heaton TJ și colab. Abordarea IntCal20 pentru construcția curbei de calibrare a radiocarbonului: o nouă metodologie folosind spline bayesiene și erori în variabile   // Radiocarbon . - 2020. - Vol. 62 , iss. 4 . - P. 821-863 . - doi : 10.1017/RDC.2020.46 . Acces deschis
  12. ↑ G. A. Wagner , p. 164.
  13. ↑ Timpul caracteristic de omogenizare a carbonului în oceane este de aproximativ 1000 de ani.
  14. ↑ Margot Kuitems și colab. Dovezi pentru prezența europeană în Americi în ad 1021 Arhivat 7 noiembrie 2021 la Wayback Machine // Nature, 20 octombrie 2021
  15. ↑ Date suplimentare IntCal09 (link descendent) . Data accesului: 27 martie 2010. Arhivat din original la 16 februarie 2010. 
  16. ↑ Cronologie nouă de la Suigetsu . Preluat la 27 octombrie 2012. Arhivat din original la 4 februarie 2022.
  17. ↑ Bronk Ramsey C. și colab. Un record terestre complet cu radiocarbon pentru 11,2 până la 52,8 kyr BP   // Știință . — Vol. 338.- Iss. 6105 . - P. 370-374. - doi : 10.1126/science.1226660 .
  18. ↑ Bowman S. Radiocarbon Dating  . - Londra: British Museum Press, 1995. - ISBN 978-0-7141-2047-8 .
  19. ↑ Levchenko V. Despre „radiocarbon prin ochii lui Fomenko” și fundamentele „științifice” ale Noii Cronologie: note polemice Copie de arhivă din 18 iunie 2010 la Wayback Machine
  20. ↑ 1 2 Graven Heather D. Impactul emisiilor de combustibili fosili asupra radiocarbonului atmosferic și a diverselor aplicații ale radiocarbonului în acest secol  // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2015. - 20 iulie ( vol. 112 , nr. 31 ). - S. 9542-9545 . — ISSN 0027-8424 . - doi : 10.1073/pnas.1504467112 .
  21. ↑ [1] . Arhivat din original pe 6 august 2015.
  22. ↑ [2] . Arhivat din original pe 27 iulie 2015.

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice