Радыевугляроднае датаванне — разнавіднасць метаду радыеізатопнага датавання, якая ўжываецца для вызначэння ўзросту арганічных рэштак праз вымярэнне змяшчэння ў матэрыяле радыеактыўнага ізатопу 14C адносна стабільнага ізатопу вугляроду. Метад радыевугляроднага датавання прапанаваны Уілардам Лібі ў 1946 годзе, за што ён атрымаў Нобелеўскую прэмію па хіміі 1960 года. Метад заснаваны на тым, што жывыя арганізмы паглынаюць разам з ежай і радыеактыўны, і радыеактыўны вуглярод, які стала выпрацоўваецца ў атмасферы праз уздзеянне касмічных прамянёў на атмасферны азот. Пасля гібелі жывёлы або расліны абмен вугляродам з навакольным асяроддзем спыняецца, 14C у рэштках паступова распадаецца, і па яго рэшткавай удзельнай актыўнасці можна ацаніць час гібелі арганізма. Для ўдакладнення ўзросту трэба ўжываць калібровачныя крывыя. У 2020 годзе былі прыняты новыя версіі калібровачных крывых для Паўночнага паўшар’я (IntCal20), Паўднёвага паўшар’я (SHCal20) і марскіх проб (Marine20), якія дазваляюць датаваць пробы ўзростам да .

Фізічныя асновы

Вуглярод, як адзін з асноўных элементаў у складзе біялагічных арганізмаў, ёсць у зямной атмасферы ў выглядзе стабільных ізатопаў 12C (98,89 %) і 13C (1,11 %) і радыеактыўнага 14C, які ёсць у следавой колькасці (каля 10−10 %). Ізатоп 14C стала ўтвараецца ў асноўным у верхніх пластах атмасферы на вышыні пры сутыкненні другасных нейтронаў ад касмічных прамянёў з ядрамі атмасфернага азоту:

У сярэднім за год у атмасферы Зямлі ўтвараецца каля радыевугляроду пры агульнай яго колькасці .

Утварэнне радыевугляроду праз натуральную радыеактыўнасць на паверхні Зямлі нязначна мала.

Радыеізатоп вугляроду 14C зведвае -распад з перыядам паўраспаду , пастаянная :

Суадносіны радыеактыўнага і стабільных ізатопаў вугляроду ў атмасферы і ў біясферы прыкладна аднолькава з прычыны актыўнага перамешвання атмасферы, бо ўсе жывыя арганізмы стала ўдзельнічаюць у вугляродным абмене, атрымліваюць вуглярод з навакольнага асяроддзя, а ізатопы, з прычыны іх хімічнай неадметныя, удзельнічаюць у біяхімічных працэсах практычна аднолькавым чынам.

Удзельная актыўнасць вугляроду ў жывых арганізмах, якія абменьваюцца вугляродам з атмасферным рэзервуарам, адпавядае атмасфернага змяшчэнню радыевугляроду і складае ў хвіліну на грам вугляроду. З гібеллю арганізма вугляродны абмен спыняецца. Пасля гэтага стабільныя ізатопы захоўваюцца, а радыеактыўны (14C) паступова распадаецца, у выніку яго змяшчэнне ў рэштках паступова змяншаецца. Ведаючы зыходныя суадносіны змяшчэння ізатопаў у арганізме і вызначыўшы іх бягучае суадносіны ў біялагічным матэрыяле мас-спектраметрычным метадам або вымераўшы актыўнасць метадамі дазіметрыі, можна вызначыць час, які мінуў з моманту гібелі арганізма.

Выкарыстанне Для вызначэння ўзросту з фрагмента даследаванай пробы вылучаюць вуглярод (праз спальванне папярэдне вычышчанага фрагмента), для вылучанага вугляроду вымяраюць радыеактыўнасць, на яе аснове вызначаюць суадносіны ізатопаў, якія і паказваюць узрост проб. Проба вугляроду для вымярэння актыўнасці звычайна ўводзіцца ў газ, якім напаўняецца прапарцыйны лічыльнік, або ў вадкі сцынтылятар. У апошні час для вельмі малага змяшчэння 14C і / або вельмі малых мас проб (некалькі мг) выкарыстоўваюць паскаральную мас-спектраметрыю, якая дазваляе прама вызначаць змячэнне 14C. На 2020 год гранічны ўзрост пробы, які можна дакладна вызначыць радыевугляродным метадам — каля , гэта значыць каля 10 перыядаў паўраспаду. За гэты час змяшчэнне 14C змяншаецца амаль у (да каля 1 распаду ў гадзіну на грам вугляроду).

Вымярэнне ўзросту прадмета радыевугляродным метадам магчыма толькі калі суадносіны ізатопаў у пробе не былі парушаны за час яе існавання, то-бок проба не была забруджана вугляродзмяшчальнымі матэрыяламі больш позняга або больш ранняга паходжання, радыеактыўнымі рэчывамі і не падвяргалася ўздзеянню моцных крыніц радыяцыі. Вызначэнне ўзросту такіх забруджаных проб можа даць велізарныя памылкі. За мінулыя з моманту распрацоўкі метаду дзесяцігоддзі назапашаны вялікі досвед у выяўленні забруджвання і ў ачыстцы ад яго проб. Для датавання з проб хімічнымі метадамі вылучаюць найменш падвергнутыя забруджванню кампаненты. Пры радыевугляродным аналізе раслінных рэшткаў выкарыстоўваецца цэлюлоза, а пры датаванні костак, рагоў і іншых жывёльных рэшткаў вылучаецца калаген. Магчыма таксама датаванне па рэштках тлустых кіслот, такіх як пальміцінавая і стэарынавая, напрыклад, керамікі. Хібнасць метаду на 2019 год знаходзіцца ў межах ад 24 гадоў (пробы пачатку XV стагоддзя) да 1 600 гадоў (пробы ).

Адзін з найбольш вядомых выпадкаў прымянення радыевугляроднага метаду — даследаванне фрагментаў Турынскай плашчаніцы, праведзенае ў 1988 годзе, адначасова ў некалькіх лабараторыях сляпым метадам. Радыевугляродны аналіз дазволіў датаваць плашчаніцу перыядам XI—XIII стагоддзяў. Скептыкі лічаць такі вынік пацвярджэннем, што плашчаніца — сярэднявечная падробка. Прыхільнікі ж сапраўднасці рэліквіі лічаць атрыманыя даныя вынікам забруджвання плашчаніцы вугляродам пры пажары і наступным мыцці ў кіпячым алеі ў XVI стагоддзі.

Каліброўка і дакладнасць метаду

Зыходныя здагадкі Лібі, на якіх будуецца метад радыевугляроднага датавання, заключаюцца ў тым, што суадносіны ізатопаў вугляроду ў атмасферы ў часе і прасторы не мяняецца, а змяшчэнне ізатопаў у жывых арганізмах дакладна адпавядае бягучаму стану атмасферы. Аднак, як было вызначана пазней, гэтыя здагадкі справядлівыя толькі прыблізна. Змяшчэнне ізатопа 14C у атмасферы залежыць ад шматлікіх фактараў, такіх як:

інтэнсіўнасць касмічных прамянёў і актыўнасці Сонца; шырата мясцовасці; стан атмасферы і магнітасферы; вулканічная дзейнасць (вуглярод, які змяшчаецца ў вулканічных выкідах, «старажытны», практычна не змяшчае 14C); кругаварот вуглякіслага газу ў прыродзе; правядзенне атмасферных ядзерных выпрабаванняў, якія стварылі ў 1950-1960-х гадах значны выкід (каля 0,5 тоны) радыевугляроду ў атмасферу (бомбавы эфект); спальванне вялікай колькасці выкапнёвага паліва (вуглярод, які змяшчае нафта, прыродны газ і вугаль — «старажытны», практычна не змяшчае 14C) — так званы , які ўзнік з пачаткам прамысловай рэвалюцыі ў XIX стагоддзі.

Два апошнія фактары робяць немагчымым правядзенне дакладнага радыевугляроднага датавання проб XX стагоддзя.

Акрамя таго, даследаванні паказалі, што з прычыны розніцы ў атамных масах ізатопаў вугляроду хімічныя рэакцыі і працэсы ў жывых арганізмах ідуць з трохі рознымі хуткасцямі, што парушае натуральныя суадносіны ізатопаў (так званы эфект ізатопнага фракцыянавання)Вагнер, с. 164.. Яшчэ адзін важны эфект (рэзервуарны эфект) — запаволенае дасягненне радыевугляроднай раўнавагі ў сусветным акіяне з прычыны яго павольнагаХарактэрны час гамагенізацыі вугляроду ў акіянах парадку 1000 гадоў. абмену вугляродам з атмасферным рэзервуарам — прыводзіць, калі не ўлічваць паправак, да ўяўнага павелічэння ўзросту рэшткаў марскіх арганізмаў, а таксама тых сухапутных арганізмаў, чыя дыета ў асноўным складалася з марской ежы. Разуменне працэсаў, звязаных з вугляродным абменам у прыродзе і ўплывам гэтых працэсаў на суадносіны ізатопаў у біялагічных аб’ектах, было дасягнута не адразу. Такім чынам, выкарыстанне радыевугляроднага метаду без уліку гэтых эфектаў і ўнесеных імі паправак здольнае спарадзіць значныя памылкі (парадку тысячагоддзя), што часта адбывалася на ранніх этапах развіцця метаду, да 1970-х гадоў.

Радыевугляроднае датаванне патрабуе вялікай асцярожнасці пры выбары і падрыхтоўцы проб. У 2014 годзе Томас Хайэм з суаўтарамі выказалі здагадку, што апублікаваныя даты неандэртальскіх артэфактаў памылковыя праз забруджванне проб «маладым вугляродам».

У цяперашні час для слушнага прымянення метаду праведзена старанная каліброўка, якая ўлічвае змяненне суадносін ізатопаў для розных эпох і геаграфічных рэгіёнаў, а таксама спецыфіку назапашвання радыеактыўных ізатопаў у жывых арганізмах і раслінах. Для каліброўкі метаду выкарыстоўваецца вызначэнне суадносін ізатопаў для прадметаў, узрост якіх пэўна вядомы. Адна з крыніц калібровачных даных — дэндрахраналогія. Працэдуру аб’яднання радыевугляроднага і дэндрахраналагічнага датавання назвалі (метад узгаднення варыяцый або метад стыкоўкі флуктуацый), яна дазваляе атрымаць вузейшы дыяпазон адносна таго, што дае калібровачная крывая, якая трапляе на плато (гл. напрыклад ). Выразны ізатопны след ад знойдзены ў архівах гадавых кольцаў з усяго свету (гл. Падзеі Міяке). Таксама праведзены супастаўленні вызначэння ўзросту проб радыевугляродным метадам з вынікамі іншых ізатопных метадаў датавання. Цяпер як стандартную калібровачную крывую выкарыстоўваюць IntCal, першая версія якой апублікавана ў 1998 годзе (гл. рысунак). Наступныя ўдакладненыя версіі калібровачнай крывой, якая выкарыстоўваецца для пераліку вымеранага радыевугляроднага ўзросту пробы ў абсалютны ўзрост, апублікаваны ў 2004, 2009 і 2013 годзе. Калібравальная крывая IntCal13 пабудавана асобна для паўночнага і паўднёвага (SHCal13) паўшар’яў, яна ахоплівае апошнія і атрымана на аснове тысяч вымярэнняў дакладна датаваных дрэўных кольцаў (апошнія ), гадавых прыростаў каралаў і адкладаў фарамініфер. Параўнанне адкладаў на дне японскага возера Суйгецу за перыяд з да таму з інфармацыяй, атрыманай дэндрахранолагамі пры аналізе дрэўных кольцаў, прывяло да ўнясення паправак, якія ссунулі даныя ў мінулае на . Каліброўка для марскіх аб’ектаў робіцца па асобнай крывой Marine13, бо хуткасць абмену вугляроду ў марскім рэзервуары павольней атмасфернага.

У сваім сучасным выглядзе дзякуючы стварэнню калібровачных шкал IntCal20, SHCal20 і Marine20 на гістарычным інтэрвале (ад дзясяткаў гадоў да 55 тысяч гадоў у мінулае) радыевугляродны метад можна лічыць досыць надзейным і якасна адкалібраваным незалежным метадам датавання прадметаў біялагічнага паходжання.

Станам на 2019 год гранічная дакладнасць радыевугляроднага датавання складае 15 гадоў (два стандартныя адхіленні, даверная імавернасць 95 %), пры гэтым для большасці часавых перыядаў за апошнія тры тысячы гадоў хібнасць вымярэння, абумоўленая хібнасцю калібровачнай крывой, складзе не менш за 50 гадоў, а за апошнія дзесяць тысяч гадоў — не менш за 100 гадоў. Меншая хібнасць дасягаецца ў перыяды, калі змяшчэнне 14C у атмасферы адносна хутка змяняецца (стромкія ўчасткі калібровачнай крывой), тады як на пакатых участках калібровачнай крывой адчувальнасць метаду горай. Хібнасць залежыць таксама ад стану проб і ад хімічнага асяроддзя, у якім яны знаходзіліся. Пры прафесійнай экспертызе радыевугляродным метадам эксперт звычайна дае даверны інтэрвал, у межах якога знаходзіцца хібнасць вызначанага ўзросту пэўнай пробы.

Варта адзначыць, што ў вызначэнні радыевугляроднага ўзросту з выкарыстаннем калібровачнай крывой выкарыстоўваецца ўмоўны «перыяд паўраспаду Лібі» для 14C, роўны па пагадненні . Ён адрозніваецца ад перыяду паўраспаду , асераднёнага па найбольш дакладных лабараторных вымярэннях і цытаванага ў ядзерна-фізічных базах даных. Гэта пагадненне прынята ў 1962 годзе, каб захаваць сумяшчальнасць з раннімі працамі. Адрозненне ўмоўнага перыяду паўраспаду ад сапраўднага ўжо ўлічана ў калібровачных крывых, таму атрыманы па іх калібраваны радыевугляродны ўзрост узгоднены з абсалютнай астранамічнай шкалой часу (але гэта не так для ўмоўнага «некалібраванага» або «канвенцыянальнага» ўзросту, уваходнага параметру калібровачнай крывой).

Крытыка метаду