Как учёные узнают возраст находок

Атомы одного элемента бывают разными

У каждого атома углерода в ядре шесть протонов. А вот нейтронов может быть разное число. Обычный углерод-12 имеет шесть нейтронов, углерод-13 семь, углерод-14 восемь. Такие разновидности называют изотопами. Химически они ведут себя почти одинаково, а по устойчивости ядра различаются.

Углерод-12 и углерод-13 стабильны и живут вечно. Углерод-14 радиоактивен: его ядро рано или поздно распадается и превращается в азот-14. Предсказать, когда распадётся конкретный атом, нельзя. Но для огромного количества атомов закон очень точный.

Период полураспада

Период полураспада это время, за которое распадается половина атомов. У углерода-14 он 5730 лет. Было миллион атомов, через 5730 лет останется пятьсот тысяч, ещё через 5730 лет двести пятьдесят тысяч, и так далее.

N = N₀ · (1/2)^(t / T)

Здесь N₀ начальное количество атомов, T период полураспада, t прошедшее время. Важно, что скорость распада не зависит от температуры, давления, химических реакций. Поэтому такие часы не сбиваются ни в земле, ни в пустыне, ни во льду.

Как работает радиоуглеродный метод

Углерод-14 постоянно рождается в верхних слоях атмосферы: космические лучи бьют по атомам азота и превращают их в радиоактивный углерод. Он соединяется с кислородом, получается углекислый газ, который растения поглощают при фотосинтезе. Животные едят растения, люди едят и тех и других. Поэтому в любом живом существе доля углерода-14 примерно такая же, как в воздухе.

Когда организм умирает, обмен с атмосферой прекращается. Новый углерод-14 больше не поступает, а старый продолжает распадаться. Часы запускаются. Учёные измеряют, сколько углерода-14 осталось в образце по сравнению с живым организмом, и вычисляют, сколько времени прошло.

Метод придумал американский химик Уиллард Либби в конце 1940-х годов. Проверял он его на предметах с известным возрастом, например на дереве из египетских гробниц, и получил совпадение. В 1960 году Либби дали за это Нобелевскую премию по химии.

Считаем возраст по задаче

Такие задачи встречаются в ЕГЭ по физике и в 9 классе. Удобно сразу считать, сколько периодов прошло, а потом возводить одну вторую в эту степень. Если число периодов получается дробным, например полтора, в школьных задачах ответ обычно подбирают так, чтобы считать было удобно, или дают готовый график распада, по которому значение снимают на глаз.

Где метод не работает

Через десять периодов полураспада, примерно 57 тысяч лет, остаётся меньше тысячной доли исходного углерода-14, и измерить его почти невозможно. Поэтому радиоуглерод хорош для археологии и последних ледниковых периодов, но не для динозавров, которые вымерли 66 миллионов лет назад.

Ещё одна тонкость: доля углерода-14 в атмосфере не была постоянной. Её меняли солнечная активность, а в XX веке ядерные испытания и сжигание угля и нефти. Поэтому результаты калибруют, сверяя с образцами точно известного возраста.

Для калибровки служат кольца деревьев. Каждый год у дерева нарастает одно кольцо, а погода делает кольца разной толщины. Сопоставляя узоры колец у живых, старых и древних деревьев, учёные составили непрерывную летопись на двенадцать с лишним тысяч лет назад. Этот метод называется дендрохронологией. Им, например, датируют брёвна новгородских мостовых, рядом с которыми находят берестяные грамоты.

Как узнали возраст Земли

Для миллионов и миллиардов лет нужны изотопы с гораздо более долгим периодом полураспада. Уран-238 превращается в свинец с периодом полураспада около 4,5 миллиарда лет, калий-40 в аргон примерно за 1,3 миллиарда. По соотношению урана и свинца в древних породах и метеоритах американский геохимик Клэр Паттерсон в 1956 году определил возраст Земли: около 4,55 миллиарда лет. С тех пор оценка почти не изменилась.

Динозавров датируют не по костям, а по слоям вулканического пепла выше и ниже них: в пепле есть кристаллы с калием и ураном. Если кость лежит между слоями возрастом 70 и 68 миллионов лет, значит, животное жило в этом промежутке.

Частые вопросы