в результате какого радиоактивного распада углерод 14
Все за сегодня
Политика
Экономика
Наука
Война и ВПК
Общество
ИноБлоги
Подкасты
Мультимедиа
Наука
Forbes (США): скачок в показаниях углерода-14 произошел 1200 лет назад на всей нашей планете, а виновником оказалось Солнце
Время от времени наука преподносит нам загадку, которая оказывается полной неожиданностью. Как правило, когда мы разрезаем дерево и начинаем изучать кольца на срезе, мы обнаруживаем следы разных видов углерода на этих кольцах, в том числе углерод-12, углерод-13 и углерод-14. В то время как доля карбона-12 и карбона-13, судя по всему, со временем не меняется, углерод-14 — это совершенно другая история. Его количество медленно сокращаться в полупериоде, составляющем немногим более 5000 лет, а типичное отличие его содержания в годичных кольцах составляет 0,06%.
Однако в 2012 году группа японских ученых анализировала древесные кольца, относящиеся к 774-775 годам, и их ожидало удивительное открытие. Вместо обычных изменений, которые были для них привычными, они обнаружили резкий скачок содержания углерода-14, то есть в 20 раз больше по сравнению с обычным его количеством. После нескольких лет исследований виновник этого явления был обнаружен — это было Солнце. Далее следует научный рассказ о том, как мы об этом узнали.
Очень давно наша Солнечная система образовалась из молекулярного облака, состоявшего из газа. Кроме водорода и гелия, сохранившихся после Большого Взрыва, в этом облаке находился целый ряд тяжелых элементов, составлявших оставшуюся часть периодической таблицы, которые вернулись в межзвездную среду из обломков предыдущих поколений звезд. Среди них выделялся один элемент — углерод, четвертый по степени распространенности элемент во всей вселенной.
Большую часть находящегося на Земле углерода, образовавшегося в результате столь далекого от нас события, составляет углерод-12, который состоит из шести протонов и шести нейтронов в своем ядре. Очень небольшая часть нашего углерода, около 1,1%, существует в виде углерода-13, у которого на один нейтрон больше по сравнению с более распространенным углеродом-12. Но существует и другая форма углерода, которая является не только редкой, но и неустойчивой — это углерод-14 (у него два дополнительных нейтрона по сравнению с углеродом-12), и именно в нем содержится ключ к разгадке.
В отличие от углерода-12 и углерода-13, углерод-14 с его шестью протонами и восемью нейтронами в своем ядре является нестабильным по своей природе. Период полураспада углерода-14 немного превышает 5000 лет, а затем его атомы превращаются в азот-14, испуская при этом один электрон и один антиэлектрон, или нейтрино. Все атомы углерода-14, сформировавшиеся до образования Земли, должны были уже давно разложиться, не оставив следа.
Однако на Земле можно обнаружить углерод-14. Примерно 1 из триллиона атомов углерода имеет восемь нейтронов, и это свидетельствует о том, что существует какой-то способ, позволяющий образовываться на нашей планете этим нестабильным изотопам. В течение долгого времени мы знали, что углерод-14 существует, однако его происхождение оставалось неясным. Однако в 20-м столетии мы, наконец, смогли в этом разобраться: углерод-14 возникает из заряженных высокой энергией космических частиц, которые сталкиваются с нашим миром. Вселенная заполнена такого рода частицами, обладающими высоких энергетическим зарядом. Они известны еще как космические лучи, а их источниками являются Солнце, звезды, мертвые звезды, черные дыры, и даже галактики за пределом Млечного пути. Большинство из них являются простыми протонами, однако некоторые имеют более тяжелое атомные ядра, другие являются электронами, но есть даже небольшое количество позитронов — это состоящие из антиматерии эквиваленты электронов.
Независимо от их состава, первое, с чем сталкиваются космические лучи при приближении к Земле, это ее атмосфера, и в результате возникает целый ряд цепных реакций и взаимодействий. В этот момент происходит образование самых разных новых частиц, в том числе фотонов, электронов, позитронов, нестабильных частиц света (мезонов и мюонов), а также таких более известных частиц как протоны и нейтроны. В частности, нейтроны имеют исключительную важность для образования углерода-14.
Большая часть земной атмосферы — примерно 78% — состоит из газа азота, который сам по себе является двухатомной молекулой, состоящей из двух атомов азота. Каждый раз, когда нейтрон сталкивается с ядром азота, состоящим из 7 протонов и 7 нейтронов, возникает определенная вероятность того, что они могут вступить во взаимодействие с этим яром и заменить один из его протонов. В результате атом азота-14 (с нейтроном) превращается в атом углерода-14 (с протоном).
После того как вы произвели углерод-14, он начинает себя вести, как любой другой атом углерода. Он без труда образует двуокись углерода в нашей атмосфере. А также смешивается с атмосферой и с океанами. Он проникает в растения, его потребляют животные, и он легко прокладывает себе путь в живые организмы, пока не достигнет равновесной концентрации. Когда организм погибает (или когда полностью формируется кольцо в стволе дерева), никакие новые атому углерода-14 в него уже не проникают, после чего все существовавшие атомы углерода-14 начинают медленно, но неуклонно разлагаться.
Контекст
Коронавирус: причем здесь Солнце? (Печат)
Если солнце погаснет (IllVet)
Оптимальное топливо — на Луне
Единственным разумным объяснением можно считать такое — примерно в этом время Земля подверглась интенсивной бомбардировке космических лучей, что и явилось причиной количественного роста показателей углерода-14. Хотя в абсолютных значениях это различие незначительное — всего на 1,2% больше углерода-14, чем обычно — это, тем не менее, это намного больше показателей известного нам обычного колебания.
Более того, подобный всплеск был затем подтвержден еще в трех годичных кольцах в разных частях планеты — от Германии и России до Новой Зеландии и Соединенных Штатов. Обнаруженные в разных странах результаты совпадают, а объяснение этого явления может быть самым разным — от возросшей солнечной активности и космических вспышек до прямого воздействия удаленного гамма-всплеска. Однако к данным относительно углерода-14 со временем были добавлены несколько других исторических и научных наблюдений, и именно это позволило нам разгадать данную загадку.
В давние времена «красный крест был замечен в небе», что было зафиксировано в Англо-саксонской хронике 774 года, и это могло иметь отношение либо к суперновой (никаких следов ее не было обнаружено), либо к полярному сиянию (auroral event). В Китае был в 775 году отмечена аномальная «буря», и это было заметным событием, поскольку ни о каком другом подобного рода явлении никаких упоминаний нет.
Кроме того, к данным годичных колец на стволе дерева были добавлены сведения, полученные на основе изучения ледяных кернов из Антарктики. В то время как кольца на дереве показывают скачок показателей содержания углерода в 774/775 годах, данные ледяного керна свидетельствуют о похожем всплеске показателей радиоактивного бериллия-10 и хлора-36. Исходя из этого, можно предположить наличие связи со значительным энергетическим событием с участием солнечных частиц. Подобного рода явление, вероятно, можно сравнить с известным «событием Кэррингтона» (Carrington event) в 1859 году — речь идет о самом сильном солнечном шторме в недавней истории. а сохранившиеся исторические данные также подтверждают такого рода объяснение.
Кроме того, были обнаружены еще два явления, которые могут показать похожие скачки в этих изотопах: немного меньшее увеличение показателей в 993\994 годы, а также более раннее событие, относящееся примерно к 660 году до Новой эры. Данные всех этих событий указывают на общий источник, который обязательно должен был включать в себя большой поток протонов с определенными энергетическими показателями.
Это соответствует относительно обычным событиям, происходящим на Солнце — речь идет о выбросе солнечных протонов. Однако это не соответствует сценарию с гамма-взрывом, в результате которого не возникают соответствующие потоки протонов, которые могли бы объяснить одновременное образование бериллия-10. Та же японская группа, члены которой первоначально предложили гамма-взрыв в качестве объяснения данных на кольцах дерева, относящихся к 774/775 годам, после изучения своих собственных измерений относительно событий 993/994 годов, пришла к следующему выводу:
«Весьма велика вероятность того, что эти события имели одну причину. С учетом повышения частотного уровня событий с участием углерода-14, можно сказать, что солнечная активность является вероятной причиной этих событий».
Время от времени Солнце, на самом деле, выбрасывает энергетически заряженные частицы прямо в направлении Земли. Иногда магнитное поле нашей планеты отражает их, а иногда направляет эти частицы в нашу атмосферу. Когда они достигают атмосферы Земли, они могут создавать полярное сияние, разрушать локальные магнитные поля, а также — если мы в достаточной степени развиты в технологическом отношении — они могут вызывать разного рода помехи в наших электрических сетях и устройствах, и это может нанести ущерб инфраструктуре на триллионы долларов.
Сегодня мы знаем о существовании самых разных связанных с Солнцем событий, который воздействуют на Землю. Нам также стало известно, что самые масштабные явления происходят чаще, чем один раз в тысячелетие. Мы не можем предсказать, когда случится новое событие такого рода, однако можно быть уверенным в том, что его последствия для человеческого общества будут весьма значительными. В будущем вновь произойдет скачок показателей углерода-14, но, тогда воздействию этого явления подвергнутся многие вещи на нашей планете, а не только годичные кольца и ледяные керны. Все мы коллективно должны решить, каким образом нам следует к этому подготовиться.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
Датирование с помощью углерода 14
Понимание основ
Многие люди предполагают, что возраст некоторых горных пород, установленный с помощью радиоуглеродного датирования (углеродом-14) насчитывает «миллионы лет». Однако на самом деле это не так. Причина проста. С помощью углерода-14 до его распада можно измерить возраст лишь в «тысячи лет».
Самым известным из всех существующих методов радиометрического датирования является радиоуглеродное датирование. Хотя многие люди считают, что с помощью радиоуглеродного датирования можно установить возраст горные породы, этот способ применим лишь к предметам, содержащим углеродный материал и которые когда-то были живы (например, окаменевшие остатки).
Часть 1. Понимание основ
Часть 3. Загадка для креацианистов: окаменелости в возрасте 50 тысяч лет?
Как образуется радиоуглерод
В отличие от радиоуглерода ( 14 C), другие радиоактивные элементы, которые применяются для датирования горных пород, – например, уран ( 238 U), калий ( 40 K), и рубидий ( 87 Rb), насколько нам известно, не формируются в земных условиях. Можно предположить, что Бог создал эти элементы, творя Землю в ее первозданном виде.
Радиоуглерод же, напротив, продолжает формироваться и сегодня в верхних слоях атмосферы. Насколько нам известно, он продолжает формироваться в верхних слоях земной атмосферы с момента ее сотворения на второй день недели сотворения (в виде части пространства, или тверди, описанной в книге Бытия 1:6–8).
Так как же образовывается радиоуглерод? Космические лучи постоянно «бомбардируют» верхние слои земной атмосферы, создавая быстро движущиеся нейтроны (субатомные частицы, не несущие электрического заряда) (Рисунок 1a). 1 Эти быстро движущиеся нейтроны сталкиваются с атомами азота-14, наиболее распространенного элемента в верхних слоях атмосферы, и превращают их в радиоуглеродные атомы (углерод-14).
Разрушение УГЛЕРОДА-14 (Рисунок 1c): Когда животное умирает, углерод-14 продолжает распадаться на азот-14 и испаряться, в то время как новый углерод-14 в мертвый организм больше не поступает. Путем сравнения оставшегося количества углерода-14 с его изначальным содержанием ученые могут рассчитать, как давно это животное погибло.
Поскольку атмосфера приблизительно на 78% состоит из азота, 2 вырабатывается достаточно большое количество атомов радиоуглерода – в среднем, около 7,5 кг в год. Эти атомы быстро смешиваются с атомами кислорода (второго по количеству элемента в атмосфере – около 21%) и образуют углекислый газ (CO2).
Этот углекислый газ, ставший теперь радиоактивным благодаря углероду-14, практически неотличим от обычного углекислого газа, находящегося в атмосфере (однако обычный углекислый газ более легкий по весу, поскольку содержит углерод-12). Радиоактивный и нерадиоактивный углекислый газ смешиваются в атмосфере и растворяются в океанах.
В процессе фотосинтеза углекислый газ поступает в растения и водоросли, и, таким образом, радиоуглерод попадает в цепь питания. Затем радиоуглерод попадает в тела животных, когда они поедают растения (Рисунок 1б). Даже мы, люди, радиоактивны, поскольку незначительное количество радиоуглерода попадает и в наши тела.
Определение скорости распада радиоуглерода
Поскольку углерод-14 распадается так быстро, его можно использовать для датирования живых существ, умерших на протяжении последних нескольких тысяч, а не нескольких миллионов лет.
Не все атомы радиоуглерода распадаются одновременно. Различные атомы углерода-14 распадаются на азот-14 за различное время, и это объясняет, почему распад радиоуглерода считается произвольным процессом.
Чтобы измерить период распада, специальный детектор определяет количество бета-частиц, выброшенных определенным количеством углерода за определенный промежуток времени, например, за месяц (для иллюстрации). Поскольку выброс каждой бета-частица означает распад одного атома углерода-14, мы можем узнать, сколько атомов углерода-14 распалось за один месяц.
Ученые-химики уже определили, сколько атомов содержится в определенной массе каждого элемента, например, углерода. 4 Поэтому, взвесив определенный объем углерода, мы сможем рассчитать, сколько в нем атомов углерода.
Зная, что какое-то количество атомов углерода радиоактивны, мы также сможем рассчитать, сколько атомов радиоуглерода содержится в этом образце. А зная количество атомов, распавшихся в нашем образце на протяжении месяца, мы можем рассчитать скорость распада радиоуглерода.
Стандартный способ выражения скорости распада называется периодом полураспада. 5 Он определяется, как период времени, за который распадается половина определенного количества радиоактивного элемента. Итак, если на начальном этапе у нас было 2 миллиона атомов углерода-14 в определенном нами количестве углерода, то периодом полураспада радиоуглерода будет период времени, необходимый для распада половины, то есть 1 миллиона атомов. Период полураспада радиоуглерода или скорость распада, как было определено учеными, составляет 5730 лет.
Использование радиоуглерода для датирования
Далее возникает вопрос: как ученые используют эти знания для датирования различных образцов? Если углерод-14 формировался с неизменной интенсивностью на протяжении довольно длительного периода и постоянно смешивался с биосферой, то уровень углерода-14 в атмосфере должен оставаться неизменным.
Если этот уровень не меняется, в живых растениях и животных должен поддерживаться постоянный уровень содержания углерода-14. Причина заключается в том, что пока организм жив, любые молекулы углерода в нем распадаются на азот.
Этот метод датирования напоминает по своему принципу песочные часы. 6 Песчинки, которые изначально заполняли верхнюю часть часов – это количество атомов углерода-14 в теле живого мамонта незадолго до его смерти. Предполагается, что это количество атомов углерода-14, которое содержится в теле слонов, живущих сегодня. Со временем эти песчинки падают в нижнюю часть часов, поэтому новое количество песчинок – это количество атомов углерода-14, оставшихся в черепе мамонта, когда он был найден.
Разница в количестве песчинок олицетворяет количество атомов углерода-14, распавшихся на азот-14 со времени смерти мамонта. Поскольку мы измерили скорость, с которой песчинки падают вниз (период полураспада радиоуглерода), мы можем рассчитать, сколько времени потребовалось для распада атомам углерода-14, а значит, мы сможем узнать, какое время прошло со времени смерти мамонта.
Доктор Эндрю Снеллинг имеет степень кандидата геологических наук, которую он получил в Сиднейском университете. Он работал консультантом по геологическим исследованиям во многих организациях, как в Австралии, так и в Америке. Доктор Снеллинг является автором многих научных статей, а также директором по исследованиям в организации «Ответы в книге Бытия», США.
Ссылки и примечания
Углерод-14
Характеристика и свойства радиоактивного углерода-14. Читайте, как использовать период полураспада изотопов углерода-14 в радиоуглеродном датировании, история.
Углерод-14 – радиотермический способ датирования, применяющий радиоизотопный углерод-14 для того, чтобы оценить возраст объекта.
Задача обучения
Основные пункты
Термины
Радиоуглеродное датирование – радиометрический способ датирования. В нем применяется радиоизотопный углерод-14, с чьей помощью определяют возраст содержащих углерод материалов до 58000-62000 лет.
Углерод обладает двумя устойчивыми лишенными радиоактивности изотопами: углерод-12 и углерод-13. Есть также отметки радиоактивного углерода-14. У последнего наблюдается короткий период полураспада (5730 лет), а значит за это время из-за радиоактивного распада его часть уменьшится вдвое. Если бы не постоянное воздействие космических лучей на атмосферу, углерод-14 исчез за миллион лет.
Диаграмма формирования углерода-14 (1), распад (2) и формула для углерода-12
Во время фотосинтеза растения фиксируют атмосферный углекислый газ (СО2) в органических соединениях. Поэтому полученная фракция изотопа 14С в растительной фазе будет такой же как изотоп в атмосфере. Если растение умирает или съедается, то активность всех изотопов прекращается. Концентрация С14 снижается с экспоненциальной скоростью. При сравнении оставшейся доли С14 с ожидаемой атмосферной, можно вывести возраст образца.
Некалиброванные радиоуглеродные периоды передаются в радиоуглеродных годах – СЕ 1950. Потом их рассматривают детально, чтобы дать точные календарные даты. Чаще всего, радиоуглеродное датирование используют в археологических целях – оценка возраста органических остатков.
За изобретение радиоуглеродного датирования отвечает Виллард Либби (1949 год). Говорили, что идею предложил Энрико Ферми. По оценкам Либби радиоактивность углерода-14 составляет примерно 14 дезинтеграций в минуту на грамм. В 1960 году за свои исследования он получил Нобелевскую премию. Ему удалось доказать точность радиоуглеродного датирования на примере оценки возраста древнего египетского судна – 1850 год до н.э.
Датирование по углероду-14: как работает метод
Эта статья состоит из трех частей. Поэтому для правильного понимания данного материала советуем прочитать цикл полностью.
Датирование по углероду-14
Часть 1: Датирование по углероду-14: как работает метод
Многие предполагают, что камни датируется «миллионами лет» на основе радиоуглеродного (углерод-14) анализа. Но это не так. Причина проста. Углерод-14 может существовать только «тысячи лет», прежде чем распадется.
Самым известным из всех методов радиометрического датирования является радиоуглеродное датирование. Хотя многие считают, что радиоуглеродное датирование используется для определения возраста горных пород, оно ограничивается датированием вещей, которые включают в себя углерод и были когда-то живыми (например, окаменелости).
Как образуется радиоактивный углерод
В отличие от них, радиоактивный углерод постоянно образуется сегодня в верхних слоях атмосферы Земли. И, насколько нам известно, он формировался таким образом с тех пор, как атмосфера была создана еще на Второй день сотворения Земли (часть пространства, или тверди, описанная в Книге Бытие 1:6-8).
Так, как же образуется радиоактивный углерод?
Космические лучи с внешнего пространства постоянно бомбардируют верхние слои атмосферы Земли, производя нейтроны (субатомные частицы, не имеющие электрического заряда), которые быстро двигаются. 1 Они на большой скорости сталкиваются с атомами азота-14, наиболее распространенным элементом в верхней атмосфере, превращая их в атомы радиоактивного углерода (углерода-14).
Этапы образования радиоактивного углерода
Этот диоксид углерода, теперь с радиоактивным углеродом-14, химически не отличается от обычного углекислого газа в атмосфере, хотя он немного тяжелее, поскольку имеет на два протона больше, чем обычный углерод-12. Радиоактивные и нерадиоактивные диоксиды углерода объединяются в атмосфере и растворяются в океанах.
Через фотосинтез углекислый газ попадает в растения и водоросли, внося радиоактивный углерод в пищевую цепочку. Радиоактивный углеродный поток попадает в организм животных, когда те потребляют растения.
Определение периода распада радиоактивного углерода
После образования радиоактивного углерода, ядра атомов углерода-14 нестабильны, поэтому со временем они прогрессивно распадаются до ядер устойчивого азота-14. 3 Нейтрон распадается на протон и электрон, и электрон выбрасывается. Этот процесс называется бета-распадом. Выброшенные электроны называются бета-частицами и образуют так называемое бета-излучение.
Не все атомы радиоактивного углерода распадаются одновременно. Различные атомы углерода-14 возвращаются обратно к азоту-14 в разное время, что объясняет, почему распад радиоуглеродных веществ считается случайным процессом.
Для измерения скорости распада соответствующий детектор фиксирует количество бета-частиц, выбрасываемых из посчитанного количества углерода в течение определенного периода времени, например за месяц (для иллюстрации). Поскольку каждая бета частица являет собой один атом углерода-14, который распался, мы знаем, сколько атомов углерода-14 распадается в течение месяца.
Химики уже определили, сколько атомов находится в определенной массе каждого элемента, например, вышеупомянутого углерода. 4 Итак, если мы взвешиваем кусочек углерода, мы можем рассчитать, сколько в нем есть атомов.
Если мы знаем, какая доля атомов углерода является радиоактивной, мы можем рассчитать, сколько их находится в единице массы. Зная количество атомов, которые распались в нашем образце в течение месяца, мы можем рассчитать скорость распада радиоактивного углерода.
Стандартный способ выражения скорости разложения называется периодом полураспада. 5 Он определяется как время, которое требуется для распада половины заданного количества радиоактивного элемента. Итак, если мы начнем с 2-х миллионов атомов углерода-14 в нашем измеряемом количестве, то период полураспада будет тем временем, которое необходимо для распада половины (т.е. 1 миллиона) этих атомов.
Период радиоуглеродного полураспада (скорость распада) составляет 5730 лет.
Использование углерода-14 для определения возраста объектов
Далее говорится о том, как ученые используют эти знания на сегодняшний день. Если углерод-14 образуется с постоянной скоростью в течение очень долгого времени и постоянно добавляется в биосферу, то его уровень в атмосфере должен оставаться постоянным.
Если уровень постоянен, живые растения и животные должны также поддерживать в себе постоянный уровень углерода-14. Причиной является то, что, пока организм жив, он заменяет любую молекулу углерода-14, которая распалась до азота, на новую.
Однако после гибели растения и животные больше не заменяют молекулы, которые подверглись распаду. Вместо этого, атомы радиоактивного углерода в их телах медленно распадаются, поэтому со временем соотношение атомов радиоактивного углерода-14 и обычных атомах стабильно уменьшается.
Предположим, что мы нашли череп мамонта и хотим определить, как давно он жил. Мы можем измерить в лаборатории количество атомов углерода-14, которые до сих пор находятся в черепе. Если предположить, что мамонт сначала имел в своих костях такое же количество атомов углерода-14, как и сегодня имеют живые животные (примерно один атом углерода-14 на каждый триллион атомов углерода-12), то, поскольку мы также знаем период полураспада радиоуглерода, мы можем рассчитать, как давно погиб мамонт. Это очень просто.
Этот метод датирования похож на принцип, лежащий в песочных часах. 6 Песчинки, которые полностью заполняли верхнюю чашу, представляют атомы углерода-14 в живом мамонте перед тем, как он погиб. Предполагается, что количество атомов углерода – 14 такое же, как и у слонов, живущих сегодня. Со временем эти песчинки падают в нижнюю чашу: так новое количество песчинок в верхней части часов представляет собой атомы углерода-14, которые остались в черепе мамонта, когда мы его нашли.
Разница в количестве песчинок – это число атомов углерода-14, которые распались до азота-14 после смерти мамонта. Поскольку мы измерили скорость падения песчинки (скорость распада радиоактивного углерода), мы можем затем рассчитать, сколько времени потребовалось для распада атомов углерода-14, то есть сколько лет назад погиб мамонт.
Вот так работает радиоуглеродный метод. А поскольку период полураспада углерода-14 составляет всего 5730 лет, этот метод пригоден лишь для датирования материалов, возраст которых составляет несколько тысяч лет, но не миллионы. Именно последнее противоречит рамкам земной истории, представленной в Библии, которая является Божьим рассказом истории.