Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Одним из наиболее интересных современных методов прикладной радиохимии является метод определения возраста углеродсодержащих материалов, основанный на измерении их радиоактивности, обусловленной присутствием изотопа углерода-14. Этот метод датирования при помощи радиоуглерода, разработанный американским физиком Уиллардом Ф. Либби, позволяет определить возраст углеродсодержащих образцов с точностью примерно до 200 лет. В настоящее время этот метод можно применять для датирования материалов, возраст которых не превышает 50 000 лет.
Изотоп углерода 14C образуется с постоянной скоростью в верхних слоях атмосферы. Возникает он из атомов азота в результате действия на них космических лучей; превращение азота в углерод-14 происходит по реакции, приведенной в предшествующем разделе. Радиоактивный углерод окисляется до двуокиси углерода, которая благодаря непрерывным перемещениям воздушных масс полностью смешивается в атмосфере с нерадиоактивной двуокисью углерода. Равновесная концентрация углерода-14, образующегося в атмосфере под действием космических лучей, равна примерно 1·10−12, а это значит, что один атом радиоактивного углерода приходится на 1012 атомов обычного углерода. Двуокись углерода, как радиоактивная, так и нерадиоактивная, поглощается растениями, фиксирующими углерод в своих тканях. Животные, питающиеся растительной пищей, также накапливают в своих тканях углерод, содержащий 1·10−12 частей радиоактивного изотопа. После гибели растения или животного радиоактивность углерода в его тканях, определяемая количеством находящегося в них радиоактивного углерода, соответствует доле радиоактивного углерода, содержащегося в атмосфере в условиях равновесия. Однако через 5760 лет (период полураспада углерода-14) половина содержащегося в них изотопа 14C подвергнется распаду и радиоактивность данного материала уменьшится наполовину. Через 11 520 лет останется только четвертая часть первоначальной радиоактивности и т. д. Следовательно, путем определения радиоактивности образца углеродсодержащего материала (древесины, мяса, древесного угля, кожи, рога или других ископаемых остатков растительного или животного происхождения) можно определить число лет, прошедших с того времени, когда присутствующий в данном образце углерод первоначально был поглощен из атмосферы.
При применении метода датирования радиоактивным углеродом образец материала, содержащий примерно 30 г углерода, сжигают до двуокиси углерода, которую затем восстанавливают до элементарного углерода (в виде сажи). После этого счетчиком Гейгера определяют бета-активность элементарного углерода и сравнивают ее с бета-активностью углерода, содержащегося в настоящее время в живых организмах (эта активность равна 15,3±0,1 распада в минуту на 1 г C). Затем по уравнению реакции первого порядка (гл. 10) подсчитывают возраст данного образца. Этот метод был проверен измерением активности углерода, содержащегося в древесине старых мамонтовых деревьев (секвойи), о которых по числу годичных колец известно, что они имеют возраст 2928±50 лет. Такая проверка дала удовлетворительные результаты; удовлетворительной оказалась также аналогичная проверка с использованием других углеродсодержащих материалов, например древесины, относящейся к тем захоронениям периода Первой династии египетских фараонов, возраст которых достигает 4900 лет, согласно достаточно строгим методам датирования.
К настоящему времени методом радиоактивного датирования изучены тысячи образцов. Один из интересных выводов, к которому пришли ученые, заключается в том, что последнее оледенение северного полушария происходило примерно 11 400 лет назад. Это удалось установить путем анализа образцов древесины, извлеченной из-под слоя земли в Висконсине, где, как было установлено, все стволы деревьев лежат в одном направлении, по-видимому поваленные наступавшим ледником; возраст этих деревьев считают равным 11 400±700 лет. Возраст образцов органических материалов, погибших в период последнего оледенения в Европе, оказался равным 10 800±1200 лет. Возраст многочисленных образцов органических материалов, древесного угля и других углеродсодержащих веществ, найденных в стойбищах людей в Западном полушарии, был определен равным 11 400 лет; более древних образцов (30 000 лет) обнаружено очень мало.
Извержение вулкана Мазама (в южной части штата Орегон, США), когда образовался кратер, называемый теперь Кратер-Лейк, произошло 6453±250 лет назад, как установлено анализом остатков деревьев, обуглившихся при извержении вулкана. В пещере Форт-Рок (Орегон) было обнаружено 300 пар веревочных сандалий. Эта пещера была засыпана во время извержения вулкана, которое, как установлено, произошло 9053±350 лет назад. В пещере Леско вблизи Монтиньяка во Франции сохранились замечательные рисунки, сделанные доисторическим человеком; на основании анализа древесного угля из очагов, обнаруженных в этой пещере, удалось установить его возраст 15 516±900 лет. Анализ ткани переплета одной из книг (не так давно обнаруженной в пещере в Палестине), которая, как полагали, была написана приблизительно в I—II в. до н. э., позволил установить, что этой книге 1917±200 лет.