Как определить возраст древних находок?

Ученые определили, что возраст нашей планеты около 4,5 миллиардов лет, используя несколько методов. Эта величина довольно хорошо принята, и различные исследования за последнее десятилетие дают примерно одинаковое число.

Но как? Как ученые могут измерить такой гигантский отрезок времени? Насколько хороши доказательства возраста?

Одним из центральных столпов этого решения является метод, известный как радиоактивное датирование. Давайте рассмотрим основную идею, лежащую в основе метода, используя технику, примененную к объектам, возраст которых всего несколько тысяч лет.

Затем мы можем увидеть, как подобные методы могут быть использованы для измерения возраста камней и планет, или даже звезд.

Атомы — это основные элементы, из которых состоят все материалы в мире: камни, растения, воздух, люди — все они состоят из атомов. Каждый элемент, такой как углерод, кислород, железо и т. д., состоит из атома различного типа.

Но атомы это не самые маленькие частицы материи; внутри каждого атома находится ряд субатомных частиц. Наиболее распространенными из них являются:

• электроны (с отрицательным зарядом и относительно небольшой массой)
• протоны (с положительным зарядом и относительно большой массой)
• нейтроны (без заряда и относительно большой массы)

Так, например, самый распространенный тип атома углерода содержит 6 протонов, 6 электронов и 6 нейтронов. Он очень аккуратный и симметричный. Ученые называют этот вид атома «углерод-12», часто пишется ¹²C. Протоны и нейтроны собираются вместе в центре атома, в то, что называется ядром. Электроны летают вокруг ядра, как маленькие планеты, вращающиеся вокруг маленькой звезды.

Но есть и другие разновидности или «изотопы» атомов углерода. Все атомы углерода должны иметь 6 протонов и 6 электронов, но они могут иметь несколько различное количество нейтронов. Например, один очень редкий изотоп углерода — это углерод-14: в нем есть два дополнительных нейтрона.

Атомы углерода-14 очень необычны: только один атом углерода на триллион имеет эти два дополнительных нейтрона. Однако эти атомы хорошо смешиваются вместе с обычным разнообразием воздуха, которым мы дышим, и пищи, которую мы едим.

В каждом кусочке яблока мы принимаем много ¹²C и некоторое количество ¹⁴C. Итак, наши тела содержат много атомов углерода в костях, мышцах и тканях. Один из триллиона этих атомов углерода относится к разновидности ¹⁴C.

Однако между обычным ¹²C и несколькими атомами ¹⁴C в вашем теле есть одно очень большое различие: атомы ¹²C стабильны, а ¹⁴C нестабильны. Время от времени отдельный атом ¹⁴C будет радиоактивно распадаться: один из его нейтронов превращается в протон плюс электрон.

Результатом этого распада является атом, который теперь имеет 7 протонов, 7 электронов и 7 нейтронов: и это больше не атом углерода, теперь это атом азота; Азот-14, если быть точным, или ¹⁴N.

К счастью для нас (и растений, и животных), атомы азота-14 ведут себя очень аккуратно в наших телах. Случайное превращение одного маленького атома углерода в один маленький атом азота не вызывает каких-либо больших изменений, и жизнь идет как обычно.

Итак, если посмотреть внутрь человека (или растения, или животного) на микроскопическом уровне, вы найдете очень много атомов углерода. Подавляющее большинство из них будет ¹²C, и около 1 на триллион будет ¹⁴C.

Использование радиоактивного распада для оценки возраста

Как часто атомы углерода превращаются в атомы азота? Что ж, если вы посмотрите на какой-либо конкретный атом ¹⁴C, он может распасться через 10 минут, или 6 месяцев, или 25 000 лет, или 500 000 лет; насколько мы можем судить, точное время абсолютно случайное и непредсказуемое.

Но если вы посмотрите на большую выборку атомов ¹⁴C, вы обнаружите четкую закономерность (если вы сможете подождать достаточно долго): через 5730 лет ПОЛОВИНА такой выборки превратится в атомы азота. Затем, спустя еще 5730 лет, половина оставшихся атомов ¹⁴C превратится в азот. И еще через 5730 лет половина из тех, кто останется, распадется.

Физики используют термин период полураспада для описания этого процесса: период полураспада ¹⁴C составляет 5730 лет.

Итак, как мы можем использовать эту информацию, чтобы определить возраст какого-то старого предмета? Скажем, например, эта флейта сделана из кости большой птицы, найденной в пещере в Германии.

В той же пещере археологи нашли много других костей и кусочков древесного угля. Давным-давно, по мере роста животных и растений в этой области, они извлекали атомы углерода из своей пищи и из воздуха для создания новых клеток и структур. Большинство из них были атомами ¹²C, но около 1 на триллион были ¹⁴C.

Когда животные и растения были убиты и собраны древними людьми и доставлены в эту пещеру, они перестали вдыхать и поглощать атомы углерода. В этот момент атомы углерода внутри костей и древесного угля были зафиксированы на месте со стандартным соотношением 1 ¹⁴C к одному триллиону ¹²C. Это было соотношение изотопов углерода в костях, когда они были брошены на пол пещеры и забыты.

Но что было дальше? Со временем кости были похоронены до тех пор, пока внутри пещеры не образовались слои грязи и отложений, и некоторые из атомов ¹⁴C внутри них начали разрушаться. Это привело к тому, что соотношение углерода-14 и углерода-12 начало уменьшаться. С течением времени все больше и больше ¹⁴C превращалось в ¹⁴N.

Когда археологи проверили кусочки костей из этой пещеры в 2009 году, они обнаружили, что соотношение ¹⁴C к ¹²C больше не было стандартом 1 к триллиону. ; вместо этого соотношение было ближе к 0,013 к триллиону.

   Если начать с выборки 1,0 к триллиону 14C атомов,

     по прошествии стольких лет      осталось столько 14C
-----------------------------------------------------------------
         0                              1.00       на триллион

     5,730                              0.50

    11,460                              0.25
   
    17,190                              0.125

    22,920                              0.0625

    28,650                              0.03125

    34,380                              0.015625

    40,110                              0.0078125

--------------------------------------------------

Таким образом, если измеренное значение составляет 0,013 к триллиону,
тогда возраст инструмента должен быть примерно от 35 000 до 40 000 лет.

Однако метод распада углерода-14 не сработает, чтобы выяснить возраст Земли или Луны, потому что период полураспада углерода-14 слишком короткий. После десяти периодов полураспада ¹⁴C, что составляет около 57 300 лет, останется только (1/2)¹⁰ или около 1/1000 исходного образца атомов углерода-14.

После еще десяти периодов полураспада, то есть всего чуть более 100 000 лет, останется только (1/2)²⁰ или около 1/1 000 000 этих атомов углерода-14. В большинстве случаев этого слишком мало для обнаружения; и 100 000 лет недостаточно много, чтобы измерить возраст нашей планеты.

Чтобы измерить возраст в миллионы или миллиарды лет, нам нужно найти атомы, которые распадаются гораздо медленнее. К счастью, существует ряд возможностей, которые включают (относительно) общие элементы с очень длительным периодом полураспада в миллиарды лет.

Мы можем использовать образцы, взятые из камней и минералов на Земле, чтобы измерить возраст этих образцов. Один из самых старых больших кусков твердого материала, который мы до сих пор нашли, — это камень, который затвердел около 3,96 миллиардов лет назад.

Кристаллы циркона в гальке оказались еще старше: им примерно 4,3 миллиарда лет, и они являются одними из самых старых предметов, которые, как известно, образовались здесь на Земле.

Таким образом, мы можем сделать вывод, что сама Земля должна быть несколько старше, чем 4,3 миллиарда лет.