Идея радиоуглеродного метода принадлежит У. Ф. Либби [1250]. «Вскоре после окончания второй мировой войны американец Уилард Фрэнк Либби опубликовал открытие, стяжавшее ему мировую славу и ныне увенчанное Гутенгеймовской и Нобелевской премиями. Изучая взаимодействие искусственно получаемых нейтронов с атомами азота, Либби пришел к выводу (1946 г.), что в природе должны происходить такие же ядерные реакции, как в его опытах; нейтроны, выделяющиеся под воздействием космических лучей в атмосфере Земли, должны поглощаться атомами азота, образуя радиоактивный изотоп углерода — С14. Этот радиоактивный углерод примешивается в небольшом количестве к стабильным изотопам углерода С12 и С13, и вместе с ними образует молекулы углекислого газа, которые усваиваются организмами растений, а через них и животных, в том числе человека. Они должны быть как в тканях, так и в выделениях живых организмов. Когда удалось (1947 г.) уловить слабую радиоактивность зловонных испарений метана у сточных вод Балтиморы, это явилось первым подтверждением догадки Либби. Затем была установлена радиоактивность растущих деревьев, морских раковин и пр. (1948–1949 гг.). Как и всякий радиоактивный элемент, радиоактивный изотоп углерода распадается с постоянной, характерной для него скоростью. Поэтому его концентрация в атмосфере и биосфере непрерывно убывала бы (по Либби, вдвое за каждые 5568 лет), если бы убыль не пополнялась столь же непрерывно новообразованием С14 в атмосфере. Сколько убывает, столько и прибывает.
Но в эту удивительную взаимоуравновешенность и соразмерность природы врезается аккорд дисгармонии. Его вносит смерть. После смерти организма новый углерод в него уже не поступает (из воздуха — в тело растения, с питанием — в тело животного) и уменьшение концентрации С14 не восполняется — радиоактивность мертвого органического тела (трупа, древесины, угля и т. п.) неудержимо падает — и что самое важное — со строго определенной скоростью!
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» [390], с. 52–53.
Рассмотрим теперь основы этой методики. См., в частности, [390], [391], [1250], [1080], [986], [110], [1081], [1082], [1480], [414], [1431], [1432], [1433], [1025], [1124], [1473], [567], [480], [478].
16.2. Физические основы радиоуглеродного метода
Космические лучи, проходя через атмосферу Земли, порождают нейтроны. Плотность потока нейтронов изменяется с высотой в атмосфере. Результаты измерения плотности этого потока с помощью шаров-зондов изображены на рис. 1.72, см. кривую А. Измерения производились в штате Нью-Джерси США и относятся к периоду до 1955 года. Максимальное количество нейтронов находится на высоте примерно 40 тысяч футов (12 километров). Вблизи же поверхности Земли плотность потока нейтронов уменьшается до нуля. Отсюда можно сделать два вывода.
1) Нейтроны возникают в атмосфере, в области стратосферы, то есть представляют собой вторичные частицы космического излучения, возникающие при прохождении первичных космических лучей через атмосферу.
2) Все эти нейтроны быстро вступают в ядерные реакции, так что до поверхности Земли доходит лишь ничтожное их количество.
На рис. 1.72 в виде кривой В приведена зависимость потока нейтронов на высоте 30 тысяч футов от геомагнитной широты [986], с. 139. Измерения проводились до 1955 года. Выявляющаяся на рис. 1.72 (кривая В) зависимость плотности потока нейтронов (незаряженных частиц) от геомагнитной широты заставляет думать, что первичные частицы космического излучения, породившие нейтроны, являются частицами заряженными, отклоняемыми магнитным полем Земли. Существенно, что плотность потока нейтронов на широте 50 градусов, — широта Парижа, Праги, Киева, Харькова, — В ТРИ РАЗА БОЛЬШЕ плотности этого потока на широте 20–30 градусов, — берег Красного моря, северный берег Африки.
Рис. 1.72. Плотность потока нейтронов в атмосфере как функция высоты. Взято из [986], с. 138.
Число нейтронов в минуту, возникающих в земной атмосфере, равно приблизительно 6×1020 нейтронов/мин. с ошибкой плюс-минус 25 процентов [986], с. 139. Таким образом, каждую минуту на Земле возникает от 4,5×1020 до 7,5×1020 нейтронов. Эти нейтроны сталкиваются с атомами атмосферного азота, кислорода и вступают с ним в ядерную реакцию. Считается, что вероятность взаимодействия нейтрона с атомом азота в тысячи раз больше, чем с атомом кислорода [986], с. 139–140. При малых энергиях нейтронов («тепловые нейтроны») превалирует реакция с образованием радиоактивного углерода С14:
(1) N14 + n → С14 + Н1
Сечение этой реакции составляет около 1,7×1024. См. [986], с. 140. Быстрые нейтроны могут вызывать еще два типа реакций:
(2) N14 + n → В11 + Не1
(3) N14 + n → С12 + Н1
Однако по сравнению с сечением реакции (1) их сечения очень малы. А при реакции (3) образуется тритий Н3, который распадается с периодом полураспада 12,5 лет, превращаясь в стабильный изотоп гелия Не3. Считается, что скорость образования трития Н1 составляется 1 % от скорости образования С14.
М.Дж. Эйткин в своей монографии «Физика и археология» пишет: «Сравнительно небольшое число нейтронов достигает поверхности Земли… и РЕЗОННО ПРЕДПОЛОЖИТЬ (? — А.Ф.), 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» [986], с. 104. Радиоуглерод С14 распадается по формуле:
(4) С14 → N14 + β-
Период полураспада равен примерно 5600 лет, так что 1 % радиоуглерода распадается примерно за 80 лет. Отсюда легко определить, что равновесное количество С14 на Земле составляет примерно 60 тонн, с ошибкой плюс-минус 25 %, то есть от 45 до 75 тонн.
Образовавшийся радиоуглерод перемешивается в атмосфере, поглощается океанами и усваивается организмами. Сфера распространения углерода называется обменным углеродным резервуаром. Он состоит из атмосферы, биосферы, поверхностных и глубинных океанических вод, рис. 1.73. Числа на этом рисунке обозначают количество углерода в той или иной части обменного резервуара. Содержание углерода в атмосфере принято при этом за 1. Выход углерода из обменного резервуара в результате отложения осадков на дно океана на рис. 1.73 не отражен. «Под радиоуглеродным возрастом подразумевается время, прошедшее с момента выхода объекта из обменного фонда до момента измерения С14 в образце» [110], с. 32.
Рис. 1.73. Структура обменного углеродного резервуара. Взято из [986], с. 30.
16.3. Гипотезы, лежащие в основе радиоуглеродного метода
Теоретическая идея измерения радиоуглеродного возраста очень проста. Для этого достаточно знать:
1) содержание радиоуглерода в объеме в момент выхода объекта из обменного фонда,
2) точный период полураспада радиоуглерода С14.
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 внешне простая идея встречается со значительными трудностями. Сразу отметим, что любое УМЕНЬШЕНИЕ относительного количества С14 в силу тех или иных причин приводит к «УДРЕВНЕНИЮ образца».
16.4. Момент выхода объекта из обменного резервуара
Итак, во-первых, что значит «момент выхода объекта из обменного резервуара»? ПЕРВАЯ ГИПОТЕЗА Либби состоит 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». Дело в том, что после смерти объекта ОБМЕН УГЛЕРОДОМ НЕ ПРЕКРАЩАЕТСЯ. Он лишь замедляется, приобретая другую форму, и это обстоятельство необходимо учитывать. Известны, см. [110], с. 31, по крайней мере, три процесса, протекающие после смерти и приводящие к изменению содержания радиоуглерода в организме:
