Рассказывает радиоуглерод

Так, казалось бы, маленький факт — опадение металлических листочков электроскопа — привел к открытию космического излучения.

А теперь, после того как мы познакомились с космическими частицами, пойдем дальше.

Когда столь известный нам по школьным учебникам монах добрался до края Земли и, проткнув головой небесную сферу, выглянул наружу, его взору предстало хитросплетение колес, приводящих в движение планеты. Так представляли себе строение мира в прошлом. Сейчас это кажется смешным, ведь всем известно, что никакой небесной сферы нет и мы живем на дне воздушного океана, что воздух, по мере того как мы будем подниматься вверх, становится все более и более разреженным.

Газовая шуба нашей планеты — это скопление огромного числа молекул различных газов. Если бы мы смогли заглянуть в этот необычный микромир, то нашему взору предстала бы фантастическая картина: хаотическое, абсолютно беспорядочное движение частиц воздуха. Все они сталкиваются друг с другом, отскакивают, разбегаются, чтобы столкнуться вновь, но уже с другими частицами. Это напоминает рой комаров-толкунцов, висящих летним вечером над берегом реки. Только перемещаются частицы неизмеримо быстрее — со скоростью от полукилометра до километра в секунду.

Но вот, подобно метеориту, через рой молекул пронеслась наша знакомая — космическая частица. Эта пуля Вселенной ворвалась в атмосферу со скоростью, близкой к световой. На ее пути возникла случайная мишень — ядро атома. Миг — и произошло чудесное превращение: одно вещество превратилось в другое. То, о чем мечтали алхимики древности, случилось у нас на глазах.

Ядерные реакции, происходящие при бомбардировке атмосферы космическими частицами, сейчас хорошо известны. Но нас будет интересовать всего одна, в результате которой получается радиоактивный изотоп углерода — угле-род-14. Он отличается от своего собрата — хорошо известного обычного углерода — только тем, что в его ядре находится на два нейтрона больше.

Подсчитано, что ежегодно в атмосфере Земли возникает около семи килограммов радиоуглерода.

Образовавшийся в верхних слоях атмосферы, на высоте около пятнадцати километров, радиоуглерод обычно в течение нескольких часов окисляется кислородом воздуха и рассеивается в атмосфере. Зато дальше все происходит очень медленно: несмотря на перемешивание атмосферы он достигнет поверхности Земли лишь в течение года. И здесь ему предстоит сыграть очень важную роль.

Земная растительность возникла благодаря фотосинтезу. Чтобы «создать» растения, природе, грубо говоря, требуется всего-навсего углекислый газ, вода, щепотка различных солей да солнечные лучи. Весь «строительный материал» растения берут из почвы и воздуха. Солнце помогает химическим превращениям. Вместе с обычным углеродом растения поглощают и его радиоактивного собрата. Но на этом приключения радиоуглерода не кончаются. Животные питаются растениями, человек — и растениями и животными. Таким образом, и животные и люди тоже получают радиоуглерод и… становятся в некотором смысле «радиоактивными».

Но углерод-14 не только накапливается. Со временем он опять превращается в азот. В течение года распадается около семи килограммов радиоуглерода, то есть ровно столько же, сколько порождается космическими лучами. Этот изотоп находится в состоянии равновесия. Сколько его образуется, столько и исчезает.

Однако это равновесие в органическом мире непостоянно. С момента смерти организм перестает усваивать радиоуглерод. Теперь идет только распад. Скорость радиоактивного распада углерода известна: через 5600 лет его останется в два раза меньше, чем было вначале. Следовательно, радиоактивность животного или растения, умершего 5600 лет назад, будет вдвое меньше, чем у ныне живущих. Зная законы радиоактивного распада и установив радиоактивность исследуемого образца, можно вычислить, сколько времени прошло с момента его гибели. Образно говоря, смерть заводит радиоактивные часы.

Всеми этими особенностями радиоуглерода воспользовался профессор Чикагского университета Уиллард Фрэнк Либби. В 1948 году он предложил по измерению радиоактивности органических останков устанавливать время смерти исследуемого объекта. И это предложение было справедливо оценено научным миром: в 1960 году Либби стал лауреатом Нобелевской премии.

ГЛАВА II

В СТЕНАХ ЛАБОРАТОРИЙ

Как-то студенты Гейдельбергского университета в ФРГ выполняли лабораторную работу — по содержанию радиоуглерода определяли возраст кустов, которые несколько лет назад были посажены вдоль шоссе, ведущего во Франкфурт-на-Майне. Результат оказался ошеломляющим: побегам было… три тысячи лет! Провели опыт еще и еще раз, но результат не изменился. Так что же, метод неверен? Не торопитесь с выводами. Давайте сначала посмотрим, какие причины могут привести к искажению результатов.

Определение содержания радиоуглерода в образцах основано на том, что в процессе его распада испускаются электроны, которые можно зарегистрировать счетчиками ядерного излучения. Распад идет очень медленно. Чтобы зафиксировать гибель хотя бы одного атома в минуту, требуется более четырех миллиардов атомов радиоактивного углерода. Казалось бы, огромное количество! Но это не так. Если извлечь из какого-нибудь образца углерод, то в каждом его грамме будет содержаться (если мы взяли, конечно, образец, в котором еще поддерживается равновесие углерода-14) около шестидесяти шести миллиардов атомов радиоуглерода. Значит, как это показывает простая арифметика, каждый грамм углерода даст примерно 15 распадов в минуту.

Поместим исследуемое вещество в счетчик и по регистратору импульсов вычислим, сколько образцу лет. Однако электроны достаточно «вялы» и не могут преодолевать большие расстояния в плотной среде. Поэтому, если мы поместим в счетчик твердый образец — например, кусочек угля или дерева, — то сможем измерить только излучение атомов, расположенных в верхнем слое. Излучение же от внутренней части не достигнет его поверхности, а следовательно, не будет измерено. Мы определим возраст угля неправильно. Поэтому обычно исследуемую древесину или уголь переводят в газообразное состояние — сжигают, получая хорошо нам известную двуокись углерода, или переводят в метан. Одним из этих газов и наполняют счетчик.

И все же, как бы тщательно газ ни был приготовлен, результат получится неправильным. Почему? Нам помешает фон от окружающих нас предметов, в которых, хотя и в незначительном количестве, содержатся радиоактивные элементы, такие, как уран, торий, калий и другие. Испускаемые ими частицы при попадании в счетчик тоже будут давать импульсы, неотличимые от радиоуглеродных.

Чтобы избавиться от этих помех, счетчик экранируют — помещают в железный «шкаф», у которого толщина стенок более тридцати сантиметров. Но ведь само железо тоже содержит радиоактивные микропримеси, излучение которых влияет на точность эксперимента. Поэтому на счетчик надевают еще и цилиндр со ртутью. Такое «одеяло» уже надежно закрывает счетчик от посторонних излучений. Если, например, незащищенный счетчик дает в минуту пятьсот импульсов вместо ожидаемых пятнадцати, то после экранировки — всего сто.

А почему не пятнадцать?

Дело в том, что экраны не спасают от достигающих поверхности Земли очень энергичных космических частиц. Они довольно легко проникают через огромные толщи вещества и могут исказить любой эксперимент.

Чтобы этого не произошло, ученые окружают основной счетчик с исследуемым образцом другими счетчиками, причем так надежно, что ни одна высокоэнергичная частица не может проскочить незамеченной. Эти внешние счетчики соединяют так, чтобы в тот момент, когда через один из них проскакивает незваная космическая гостья, основной счетчик отключался. На ничтожно малое время, около одной десятитысячной доли секунды. Этого вполне достаточно, чтобы счетчик с образцом не отозвался на посторонний сигнал.