Радіокарбонове датування в археології: принцип дії.

Радіокарбонове датування або радіовуглецеве датування, радіовуглецевий метод — метод датування органічних речовин, заснований на визначенні відносного вмісту ізотопу ¹⁴С в природних об’єктах (найчастіше — вугіллі, деревині, залишках кісток тощо). Найпоширеніший метод датування органічних артефактів у сучасній археології.

Перші дати

Метод був розроблений Віллардом Ліббі та його колегами в Чиказькому університеті в 1949 році. У 1960 році він отримав Нобелівську премію з хімії за цю роботу. Спочатку він продемонстрував точність дати радіоактивного ізотопу, продатувавши деревину з давньоєгипетської фараонської баржі, історія якої була відома завдяки історичним документам.

Ліббі та Джеймс Арнольд приступили до тестування теорії датування радіоактивного вуглецю, аналізуючи зразки з відомими датами. Наприклад, два зразки, взяті з могил двох єгипетських фараонів, Джосера і Снеферу, приблизна дата яких 2625 до н.е. плюс чи мінус 75 років, датовані радіоактивними вимірюваннями в середньому до 2800 до н.е. плюс-мінус 250 років. Ці результати були опубліковані у 1949 році.

Слід підкреслити, що це стало можливим завдяки багаторічним зусиллям досить великого колективу, який працював під керівництвом В. Ліббі в різних областях науки. Так, можливість перетворення атмосферного азоту при його бомбардуванні нейтронами в ізотоп вуглецю ¹⁴С була передбачена теоретично ще в середині 30-их років XX століття. У лабораторних умовах така реакція була проведена в 1940 році, приблизно в цей же час в верхніх шарах атмосфери були зареєстровані нейтрони, що народжуються під впливом космічного випромінювання. Таким чином, один з основних принципів радіовуглецевого датування – ¹⁴С утворюється у верхніх шарах атмосфери під дією космічних променів – був сформульований вже до початку сорокових років XX століття. Подальші роботи в цьому напрямку були перервані Другою світовою війною, під час якої В. Ліббі брав участь в Манхеттенському проекті. Після війни було виміряно період напіврозпаду радіовуглецю і розроблені методи визначення його активності в тканинах рослин і тварин. Справа в тому, що співвідношення ¹⁴С з іншими ізотопами вуглецю в атмосфері складає всього лише один з 10¹² атомів. Відповідно і активність, обумовлена ​​радіовуглець, теж дуже низька. Так що Нобелівська премія з хімії, присуджену Віллардом Ліббі в 1960 році, стала знаком визнання його заслуг у вирішенні дуже широкого кола теоретичних і технічних завдань, пов’язаних з методом радіовуглецевого датування.

Принцип дії

Встановлення відносного віку різних матеріалів з використанням ¹⁴С. При цьому вимірюється співвідношення ¹⁴С та ¹²С, яке порівнюється зі співвідношенням, що встановлюється у вищих шарах атмосфери при дії космічних променів. Коли організм живе, співвідношення ¹⁴C /¹²C у біомасі є постійним (через обмін з тим, що утворюється в атмосфері), коли ж він вмирає, то співвідношення змінюється в передбачуваний законами радіоактивного розпаду спосіб, що і дозволяє визначити час, який пройшов від дати смерті.

Рослини поглинають вуглекислий газ (двоокис вуглецю) з повітря й зберігають його у своїх тканинах, деякі містять радіоактивний ізотоп вуглецю ¹⁴С. Впродовж життя організму вміст ¹⁴С в ньому весь час поновлюється, і співвідношення ¹⁴С до ¹²С залишається сталим. Після загибелі обмін із середовищем припиняється, тому відносна частка нестабільного ізотопу зменшується з часом. Стала концентрація ізотопу ¹⁴С в повітрі підтримується за рахунок ядерної реакції, яка відбувається при бомбардуванні Землі космічними променями:

Оскільки період напіврозпаду ¹⁴С відомий (~5730 років), відповідно, час з моменту загибелі рослини можна встановити в лабораторії. Тварини накопичують ¹⁴С в організмі, поїдаючи рослини, таким чином і залишки тварин можна датувати тим же методом.

Радіовуглецеве датування реалізується через вимірювання радіоактивності радіовуглецю (радіометричне) або співвідношення мас ізотопів вуглецю (масспектрометричне). Перше реалізоване газовими пропорційними або рідинно-сцинтиляційними лічильниками, друге масспектрометрами. Для всіх наявних методів їх чутливість та неможливість відділити домішки обмежують реальне застосування радіовуглецевого датування до 50—60 тисяч років. Після проходження 120 тис. років залишається так мало ¹⁴С, що виміри стають неможливими.

При застосуванні радіовуглецевого методу можливі помилки. Тому одна ізольована дата, отримана з його допомогою, не може служити основою для серйозних історико-археологічних висновків («одна дата — не дата»). Тільки перевірка одних дат іншими, отриманими в різних лабораторіях і на різних матеріалах, тільки наявність серій відповідних один одному радіовуглецевих дат, підкріплених стратиграфією палеолітичних пам’яток, дозволяє вважати їх з великою ймовірністю правильними і будувати на цьому висновки.

Найбільш відомі датування

Напевно, найбільшою популярністю користується Туринська плащаниця. Широко відомо, що датування проводилися на прискорювальних мас-спектрометрах в трьох найвідоміших лабораторіях (в Оксфорді, Цюріху та Туссон), які отримали подібні результати: з імовірністю 95% матеріал плащаниці був зроблений в інтервалі від 1260 до 1390 року. Значно менше відомо, що поряд із зразками плащаниці, в лабораторіях аналізувалися три інших зразка тканин (плащ Людовика IX, зроблений між 1240 і 1270 рр, саван з єгипетського поховання, витканий близько 1100 роки, і тканину, укутують єгипетську мумію, що датується приблизно 200 роком ). У всіх трьох випадках отримані в лабораторіях датування збіглися з вихідними даними.

Серед найбільш відомих артефактів, вік яких був визначений радіовуглецевим методом, слід згадати Кумранські сувої і кілька ранніх рукописів Корану. У всіх цих випадках датування підтвердили автентичність документів.

Велику популярність придбав Тірольська крижана людина або Еці (Ötzi), мумія, виявлена в льодовику на півночі Італії в 1991 році. Ідеальне збереження мумії дозволила провести безліч досліджень, що стосуються антропологічних та історичних питань. Радіовуглецеве датування показало, що Еці жив 3300 – 3000 років до н. е. Відзначимо, що у вічній мерзлоті Сибіру і Аляски було знайдено кілька майже цілих мумій мамонтів, бізонів, коней і навіть один ховрах. Всі ці знахідки відразу ж ставали об’єктами комплексного вивчення зоологів, ботаніків, генетиків і, звичайно ж, фахівців в області радіовуглецевого датування.

Важливо привести і приклад іншого роду, коли предметом датування стає не окремий артефакт або унікальна знахідка, а великомасштабна подія. Таким було виверження вулкана на острові Терра або Санторіні. Можливо, що відгомони цього виверження потрапили в Біблію під виглядом кар єгипетських. Традиційно, всі ці події відноситься до 1500 року до н. е. Однак аналіз численних (понад 150) радіовуглецевих датувань різноманітних матеріалів зі східного Середземномор’я, асоційованих зі слідами виверження і викликаного ним цунамі, включаючи і гілка оливи, похований безпосередньо попелом, відсуває дату більш ніж на сто років назад, в кінець XVII століття до н. е.