Углерод — самый распространенный элемент на Земле. Образует многочисленные связи, в основном с водородом и кислородом. Известно три изотопа углерода: 12C, 13C и 14C. Последний из них из-за своих радиоактивных свойств в просторечии называется радиоуглеродом. Наиболее важным его применением является определение возраста геологических образований и археологических объектов. Кроме того, радиоуглерод используется для изучения изменений окружающей среды.
Радиоактивность изотопа углерода 14C
Изотопы — это совокупность атомов одного и того же элемента, имеющих одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. Подавляющее большинство встречающихся в природе элементов имеют более одного изотопа. Каждый из них может обладать иными свойствами. Процентное содержание отдельных изотопов также существенно различается.
Элементарный углерод имеет три изотопа: 14C, 13C и 12C. Наиболее распространенным является 12C — более 98%. Гораздо реже в природе встречается 13C. На Земле наименее распространен радиоактивный изотоп углерода 14C. Его источником являются ядерные реакции тепловых нейтронов (космического происхождения) с ядрами азота. Они происходят в стратосфере. Изотоп углерода 14C самопроизвольно распадается. В результате бета-распада образуется нерадиоактивный азот 14N, электрон и антинейтрино. Со временем содержание радиоактивных изотопов 14C в материале снижается. Интенсивность производимого им излучения также уменьшается. Время, по истечении которого содержание радиоактивного углерода уменьшится вдвое, определяется как период полураспада (характеристика радиоактивных элементов). Для изотопа углерода 14C это время составляет 5730 лет. Таким образом, по истечении этого времени порция радиоактивного 14C уменьшится вдвое.
Радиоуглеродное датирование
Большая часть изотопа углерода 14C, который накапливается в атмосфере, окисляется до 14CO. Когда эта форма вступает в реакцию с гидроксильным радикалом (OH), она далее окисляется до 14CO2. Углекислый газ, 14CO2, в свою очередь, попадает из атмосферы в биосферу и гидросферу (в результате, например, диффузии, растворения, фотосинтеза). Радиоуглерод 14C входит в состав многих органических соединений. Они ассимилируются в растениях или растворяются в морской воде. Концентрация изотопа 14С в атмосфере в несколько раз выше, чем, например, в глубинах океана. Таким образом, он становится естественным изотопным индикатором. С его помощью можно отслеживать изменения, происходящие в природной среде.
Одним из важнейших применений изотопа 14C является так называемое радиоуглеродное датирование. Углекислый газ, содержащий радиоактивный 14C, проникает во все живые существа — растения и животные. Организмы участвуют в круговороте радиоуглеродного обмена с биосферой. Тогда содержание изотопа 14C является постоянным. Изменение происходит в момент смерти организма. Когда организм замирает, он больше не поглощает углерод 14C, поэтому его содержание неуклонно снижается. Распад этого изотопа происходит со скоростью, определяемой законом его распада (распад атомов 14C во времени имеет вид экспоненциальной функции). Приведенное предположение стало основой для определения возраста археологических находок, которое называется радиоуглеродным датированием (или методом радиоактивного углерода). Сопоставление соотношения содержания 14C и 12C в мертвом органическом веществе и в атмосфере позволяет определить радиоуглеродный возраст (время от момента гибели организма до момента измерения). Условный радиоуглеродный возраст определяется путем сравнения содержания обоих изотопов углерода в исследуемой пробе и в современном эталоне биосферы.
Метод ускорительной масс-спектрометрии (AMS) для измерения концентрации радиоуглерода, 14C
Измерение содержания радиоактивного углерода 14С в материале является сложным и требует специализированного оборудования, что удорожает весь процесс. Метод ускорительной масс-спектрометрии использует тот факт, что 14C немного тяжелее по сравнению с 12C (примерно в 1,17 раз). Также выполняется параллельное измерение содержания 13C. В технике AMS используются ускорительные масс-спектрометры. Отдельные элементы этого аппарата, такие как источник ионов, ускоритель, анализирующий магнит или электростатический анализатор, размещены вдоль сторон квадрата размером 5 х 5 м. В целом они представляют собой единую высоковакуумную камеру длиной около 15 метров. В аппарате можно выделить низкоэнергетическую и высокоэнергетическую части.
Для определения соотношения отдельных изотопов углерода спектрометр AMS измеряет атомы 14C, 13C и 12C, которые высвобождаются из катода (изготовленного из испытуемого материала). Произведенные в ионном источнике ионы углерода направляются в ускоритель. Там они ускоряются и попадают в анализирующий магнит. Затем они находятся в дрейфовой камере, которая позволяет измерять электрический ток обоих типов ионов. Наконец, ионы радиоактивного изотопа углерода 14C после перехода к электростатическому анализатору достигают детектора, позволяющего их подсчитывать. Спектрометр AMS — чрезвычайно современное устройство. Все части аппарата и текущие рабочие параметры управляются специальным компьютерным программным обеспечением и могут управляться с консоли.