Radiokarbon bilan tanishish

**Radiokarbonni aniqlash** ( **uglerodni aniqlash** yoki **uglerod-14** deb ham ataladi) - bu uglerodning radioaktiv izotopi bo'lgan radiokarbonning xususiyatlaridan foydalangan holda organik moddalar bo'lgan ob'ektning yoshini aniqlash usuli.

Usul 1940-yillarning oxirida Chikago universitetida Willard Libby tomonidan ishlab chiqilgan. Bu radiokarbon ( 14 14 ) Yer atmosferasida kosmik nurlarning atmosfera azoti bilan oʻzaro taʼsirida doimo hosil boʻladi. Natijada 14 14 atmosfera kislorodi bilan birlashib, fotosintez orqali o'simliklarga kiritilgan radioaktiv karbonat angidrid hosil qiladi; hayvonlar keyin 14 ega bo'ladi14 14 o'simliklarni iste'mol qilish orqali. Hayvon yoki o'simlik o'lganida, u atrof-muhit bilan uglerod almashinuvini to'xtatadi va keyin 14 Uning tarkibidagi 14 14 dan kamayishni boshlaydi14 14 radioaktiv parchalanishga uchraydi. 14 miqdorini o'lchash14 Yog'och bo'lagi yoki suyak bo'lagi kabi o'lik o'simlik yoki hayvondan olingan namunadagi 14 hayvon yoki o'simlik qachon vafot etganini hisoblash uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan ma'lumotlarni beradi. Namuna qanchalik katta bo'lsa, 14 dan kamroq14 14 bor aniqlanishi kerak, va chunki yarimparchalanish davri 14 14 (ma'lum bir namunaning yarmi parchalanib ketadigan vaqt) taxminan 5730 yilni tashkil etadi, bu jarayon orqali ishonchli o'lchanadigan eng qadimgi sanalar taxminan 50 000 yil oldinga to'g'ri keladi, ammo maxsus tayyorlash usullari vaqti-vaqti bilan aniq tahlil qiladi. eski namunalar mumkin. Libbi 1960 yilda qilgan ishlari uchun kimyo bo'yicha Nobel mukofotini oldi.

Research has been ongoing since the 1960s to determine what the proportion of  in the atmosphere has been over the past fifty thousand years. The resulting data, in the form of a calibration curve, is now used to convert a given measurement of radiocarbon in a sample into an estimate of the sample's calendar age. Other corrections must be made to account for the proportion of  in different types of organisms (fractionation), and the varying levels of  throughout the biosphere (reservoir effects). Additional complications come from the burning of fossil fuels such as coal and oil, and from the above-ground nuclear tests done in the 1950s and 1960s. Because the time it takes to convert biological materials to fossil fuels is substantially longer than the time it takes for its  to decay below detectable levels, fossil fuels contain almost no . As a result, beginning in the late 19th century, there was a noticeable drop in the proportion of  as the carbon dioxide generated from burning fossil fuels began to accumulate in the atmosphere. Conversely, nuclear testing increased the amount of  in the atmosphere, which reached a maximum in about 1965 of almost double the amount present in the atmosphere prior to nuclear testing.

Radiouglerodni o'lchash dastlab beta-hisoblash qurilmalari tomonidan amalga oshirildi, ular parchalanish natijasida chiqarilgan beta-nurlanish miqdorini hisoblardi 14 Namunadagi 14 atomlari. Yaqinda tezlatgich massa spektrometriyasi tanlov usuliga aylandi; 14 ning hammasini sanaydi14 Namunadagi 14 atomlari va o'lchovlar paytida parchalanadigan bir nechta atomlar emas; shuning uchun u juda kichikroq namunalar bilan (alohida o'simlik urug'lari kabi) ishlatilishi mumkin va natijani ancha tez beradi. Radiokarbonli datingning rivojlanishi arxeologiyaga katta ta'sir ko'rsatdi. Arxeologik joylar ichida oldingi usullarga qaraganda aniqroq tanishish imkonini berishdan tashqari, u uzoq masofalardagi voqealar sanalarini solishtirish imkonini beradi. Arxeologiya tarixi ko'pincha uning ta'sirini "radiokarbon inqilobi" deb ataydi. Radiokarbon bilan tanishish tarixdan oldingi davrdagi asosiy o'tishlarni, masalan, so'nggi muzlik davrining oxiri va turli mintaqalarda neolit va bronza davrining boshlanishini aniqlashga imkon berdi.

## Fon

### Tarix
1939 yilda Berklidagi radiatsiya laboratoriyasidan Martin Kamen va Samuel Ruben organik moddalarda keng tarqalgan elementlardan birida biotibbiyot tadqiqotlarida ahamiyatli bo'lishi uchun etarlicha uzoq yarimparchalanish davriga ega bo'lgan izotoplar mavjudligini aniqlash uchun tajribalar boshladilar. Ular 14 sintez qildilar14 14 laboratoriyaning siklotron tezlatgichidan foydalangan holda va tez orada atomning yarimparchalanish davri ilgari taxmin qilinganidan ancha uzoqroq ekanligini aniqladi. Buning ortidan Filadelfiyadagi Franklin institutida ishlagan Serj A. Korff tomonidan termal neytronlarning 14 bilan o'zaro ta'siri haqida bashorat qilingan.14 Yuqori atmosferadagi 14 14 hosil qiladi14 14 . [note 1] Ilgari 14 deb hisoblangan edi14 14 13 bilan o'zaro ta'sir qiladigan deytronlar tomonidan yaratilishi ehtimoli ko'proq13 13 . Ikkinchi jahon urushi paytida, o'sha paytda Berklida bo'lgan Uillard Libbi Korffning tadqiqotlari haqida bilib, tanishish uchun radiokarbondan foydalanish mumkin degan fikrni o'ylab topdi.

1945 yilda Libbi Chikago universitetiga ko'chib o'tdi va u yerda radiokarbonlarni aniqlash bo'yicha ish boshladi. 1946 yilda u tirik materiyadagi uglerod 14 o'z ichiga olishi mumkin bo'lgan maqolani nashr etdi.14 14, shuningdek, radioaktiv bo'lmagan uglerod. Libbi va bir nechta hamkasblari Baltimordagi kanalizatsiya inshootlaridan to'plangan metan bilan tajriba o'tkazishdi va namunalarini izotopik boyitgandan so'ng ular tarkibida 14 metan borligini ko'rsatishga muvaffaq bo'lishdi.14 14 . Aksincha, neftdan hosil bo'lgan metan yoshi tufayli radiokarbon faolligini ko'rsatmadi. Natijalar 1947 yilda *"Science"* jurnalida chop etilgan maqolada jamlangan bo'lib, unda mualliflar ularning natijalari organik kelib chiqishi uglerodini o'z ichiga olgan materiallarni sanab o'tish mumkinligini nazarda tutganini izohladilar.

Libbi va Jeyms Arnold yoshi ma'lum bo'lgan namunalarni tahlil qilish orqali radiokarbonli danish nazariyasini sinab ko'rishga kirishdilar. Misol uchun, ikki Misr shohlari, Zoser va Sneferu qabrlaridan olingan ikkita namunalar mustaqil ravishda miloddan avvalgi 2625 yilga to'g'ri keladi, ortiqcha yoki minus 75 yil, radiokarbon o'lchovlari bilan miloddan avvalgi 2800 yilga ortiqcha yoki minus 250 yilga teng bo'lgan. Bu natijalar 1949 yil dekabr oyida *Science* jurnalida chop etilgan. [note 2] Ular e'lon qilinganidan keyin 11 yil ichida butun dunyo bo'ylab 20 dan ortiq radiokarbonlarni aniqlash laboratoriyalari tashkil etilgan. 1960 yilda Libbi bu ishi uchun kimyo bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi.

### Fizik va kimyoviy tafsilotlar
Tabiatda uglerod uchta izotop, ikkita barqaror, radioaktiv bo'lmagan holda mavjud: uglerod-12 ( 12 12 ) va uglerod-13 ( 13 13 ) va radioaktiv uglerod-14 ( 14 14 ), shuningdek, "radiokarbon" sifatida ham tanilgan. Yarim yemirilish davri 14 ga teng14 14 (ma'lum miqdorning yarmi uchun ketadigan vaqt 14 14 yemirilish ) taxminan 5730 yilni tashkil etadi, shuning uchun uning atmosferadagi kontsentratsiyasi ming yillar davomida kamayishi kutilishi mumkin, ammo 14 14 doimiy ravishda quyi stratosfera va troposferaning yuqori qatlamlarida, birinchi navbatda, galaktik kosmik nurlar va kamroq darajada quyosh kosmik nurlari tomonidan ishlab chiqariladi. Ushbu kosmik nurlar atmosfera bo'ylab harakatlanayotganda neytronlarni hosil qiladi, ular azot-14 ga tegishi mumkin ( 14 .14 14 ) atomlar va ularni 14 ga aylantiring14 14 . Quyidagi yadro reaktsiyasi asosiy yo'ldir 14 14 yaratiladi:

: n + 14 14 N → 14 14 C + p

Bir marta ishlab chiqarilgan, 14 14 atmosferadagi kislorod (O) bilan tezda birlashadi va birinchi karbon monoksit ( CO ), va oxirida karbonat angidrid ( CO ni hosil qiladi.CO CO ).

: 14C + O2 → 14CO + O

: 14CO + OH → 14CO2 + H

Shu tarzda hosil bo'lgan karbonat angidrid atmosferada tarqaladi, okeanda eriydi va fotosintez orqali o'simliklar tomonidan so'riladi. Hayvonlar o'simliklarni iste'mol qiladilar va natijada radiokarbon butun biosferada tarqaladi. nisbati 14 14 dan 12 12 14 ning taxminan 1,25 qismi14 14 dan 10 gacha 12 ning 12 qismi12 12 .  Bundan tashqari, uglerod atomlarining 1% ga yaqini barqaror izotop 13 ga tegishli13 13 .

: 146C → 147N + e− + 

Beta zarracha ( elektron, e - ) va elektron antineytrino (   ), 14 dagi neytronlardan biri14 14 yadrosi proton va 14 ga aylanadi14 14 yadrosi barqaror (radioaktiv bo'lmagan) 14 izotopiga qaytadi14 14 .

### Uglerod qadimdan maʼlum. Pista kumir rudalardan metallar eritib olishda, olmos qimmatbaho tosh sifatida qoʻllangan. Keyinroqesa grafit tigel va qatlam tayyorlashda ishlatilgan. UglerodLavuazye 1772-yilda olmosning kristall holdagi Uglerod ekanligini isbotladi. 1778-yilda shved kimyogari Uglerod Sheyele grafitni selitra bilan qizdirilganda qam koʻmirni selitra bilan qizdirilgandagi singari karbonat angidrid hosil boʻlishini aniqladi. Ingliz olimi UglerodTennant 1797-yilda kaltsiy karbonatga fosfor bugʻi taʼsir ettirib sof Uglerod oldi.
Hayoti davomida o'simlik yoki hayvon uglerodni atmosfera bilan yoki oziq-ovqat bilan almashtirib, atrofi bilan muvozanatda bo'ladi. Shunday qilib, u 14 ga teng nisbatga ega bo'ladi14 14 atmosfera sifatida yoki dengiz hayvonlari yoki o'simliklarida okean bilan. O'lganidan keyin u 14 ni olishni to'xtatadi14 14, lekin 14 14 o'zining biologik materialida o'sha paytda parchalanishda davom etadi va shuning uchun nisbat 14 ga teng14 14 dan 12 Uning qoldiqlarida 12 asta-sekin kamayadi. Chunki 14 14 ma'lum tezlikda parchalanadi, radiokarbon ulushi berilgan namuna uglerod almashinuvini to'xtatganidan beri qancha vaqt o'tganligini aniqlash uchun ishlatilishi mumkin.&nbsp;- namuna qanchalik katta bo'lsa, 14 dan kamroq14 14 qoladi.

:  N = N_0 \, e^{-\lambda t}\, 

Bu yerda *N* 0 - asl namunadagi izotop atomlari soni (namuna olingan organizm nobud bo'lgan *t* = 0 vaqtida), *N* - *t* vaqtdan keyin qolgan atomlar soni. *l* - muayyan izotopga bog'liq bo'lgan doimiy; berilgan izotop uchun u o'rtacha hayotning o'zaro ta'siriga teng&nbsp;- ya'ni ma'lum bir atomning radioaktiv parchalanishdan oldin omon qolishi uchun o'rtacha yoki kutilgan vaqt. *t* bilan belgilangan o'rtacha umr 14 ga teng14 14 8267 yil, [note 4], shuning uchun yuqoridagi tenglamani quyidagicha qayta yozish mumkin:

:  t = \ln(N_0/N) \cdot \text{8267 years} 

Namuna dastlab bir xil 14 ega bo'lgan deb taxmin qilinadi14 14 / 12 12 nisbati atmosferadagi nisbat sifatida va namunaning o'lchami ma'lum bo'lganligi sababli, namunadagi atomlarning umumiy sonini hisoblash mumkin, natijada *N* 0, soni 14 Asl namunadagi 14 atomlari. *N* o'lchovi, 14 soni14 Hozirda namunadagi 14 atomlari yuqoridagi tenglamadan foydalanib, *t* ni, namunaning yoshini hisoblash imkonini beradi.

Radioaktiv izotopning yarim yemirilish davri (odatda t 1/2 bilan belgilanadi) o'rtacha umrga qaraganda ko'proq tanish tushunchadir, shuning uchun yuqoridagi tenglamalar o'rtacha umr ko'rinishida ifodalangan bo'lsa-da, iqtibos keltirish odatiy holdir. qiymati 14 14 ning yarim yemirilish davri uning o'rtacha umriga qaraganda. Yarim yemirilish davri uchun hozirda qabul qilingan qiymat 14 ga teng14 14 - 5700 ± 30 yil.  Bu shuni anglatadiki, 5700 yildan keyin dastlabki 14 yilning faqat yarmi14 14 qoladi; chorak 11400 yildan keyin qoladi; 17100 yildan keyin sakkizinchi; va hokazo.

Yuqoridagi hisob-kitoblar bir nechta taxminlarni keltirib chiqaradi, masalan, 14 darajasi14 Atmosferadagi 14 vaqt o'tishi bilan doimiy bo'lib qoldi. Aslida, 14 darajasi14 Atmosferadagi 14 sezilarli darajada o'zgargan va natijada yuqoridagi tenglamada keltirilgan qiymatlarni boshqa manbalardan olingan ma'lumotlardan foydalangan holda tuzatish kerak. Bu kalibrlash egri chiziqlari orqali amalga oshiriladi (quyida muhokama qilinadi), ular o'lchovni 14 ga aylantiradi14 Namunadagi 14 taxminiy kalendar yoshiga. Hisob-kitoblar bir necha bosqichlarni o'z ichiga oladi va "radiokarbon yoshi" deb nomlangan oraliq qiymatni o'z ichiga oladi, ya'ni namunaning "radiokarbonli yillari"dagi yosh: radiokarbonli yillarda ko'rsatilgan yosh hech qanday kalibrlash egri chizig'idan foydalanilmaganligini bildiradi - radiokarbon yillari uchun hisob-kitoblar atmosfera 14 deb faraz qilaylik14 14 / 12 Vaqt o'tishi bilan 12 nisbati o'zgarmadi. glerodning 4 kristall modifikatsiyasi: grafit, olmos, karbin va lonsdeylit maʼlum. Karbin sunʼiy usulda olingan qora rangli mayda kristall kukun. Zichligi 1,9—2 g/sm³. Oʻzaro parallel uzun S atomlari zanjiridan tuzilgan. Lonsdeylit meteoritlarda topilgan va sunʼiy usulda olingan. Uglerodning atom radiusi 0,077 nm A, S4+ ionning radiusi 0,02 nm; S4~ ning radiusi 0,26 nm. Uglerodning amorf shakli — faollangan kumir kuchli adsorbent hisoblanadi. U nafaqat gazlarni, balki erigan moddalarni ham yutadi. Uglerodning barcha allotropik shakl oʻzgarishlari kimyoviy jiqatdan ancha chidamli va inert moddalardir. Uglerod metallar bilan karbidlar hosil qiladi. Uglerod oʻz birikmalarida +4, —4 +2 va — 4 valentli. Uglerod atomlari oʻzaro birikib "ochiq", "tarmoqlangan", "yopiq" zanjirlar, oʻzaro (shuningdek, boshqa elementlarning atomlari bn) "yakka", "qoʻsh" va "uch karrali" boglanishlar xrsil qila oladi (qarang Organik kimyo).

Radiouglerod yoshini hisoblash, shuningdek, 14 uchun yarim umrning qiymatini talab qiladi14 14 . Libbyning 1949 yilgi qog'ozida u Engelkemeir va boshqalarning tadqiqotlari asosida 5720 ± 47 yil qiymatidan foydalangan. Bu zamonaviy qiymatga juda yaqin edi, ammo ko'p o'tmay qabul qilingan qiymat 5568 ± 30 yilga qayta ko'rib chiqildi va bu qiymat o'n yildan ortiq vaqt davomida ishlatilgan. 1960-yillarning boshlarida u yana 5730 ± 40 yil qilib qayta koʻrib chiqildi, bu esa bundan oldin chop etilgan maqolalarda koʻplab hisoblangan sanalar notoʻgʻri boʻlgan (yarimparchalanish davridagi xatolik taxminan 3%). [note 5] Ushbu dastlabki hujjatlarga muvofiqligi uchun 1962 yilda Kembrijda (Buyuk Britaniya) radiokarbon konferentsiyasida 5568 yil "Libby yarim yemirilish davri" dan foydalanishga kelishib olingan. Radiokarbon yoshi hali ham ushbu yarimparchalanish davri yordamida hisoblab chiqiladi va ular "An'anaviy radiokarbon davri" deb nomlanadi. Kalibrlash egri chizig'i (IntCal) ham atmosfera 14 haqida xabar beradi14 Ushbu an'anaviy yoshdan foydalangan holda 14 konsentratsiyasi IntCal egri chizig'iga nisbatan sozlangan har qanday an'anaviy yosh to'g'ri kalibrlangan yoshni hosil qiladi. Sana keltirilganda, o'quvchi shuni bilishi kerakki, agar u kalibrlanmagan sana bo'lsa (radiokarbonli yillarda berilgan sanalar uchun qo'llaniladigan atama) u haqiqiy kalendar sanasining eng yaxshi taxminidan sezilarli darajada farq qilishi mumkin, chunki u noto'g'ri qiymatdan foydalanadi. 14 yarim yemirilish davri uchun14 14 va 14 ning tarixiy o'zgarishi uchun hech qanday tuzatish (kalibrlash) qo'llanilmaganligi sababli14 Vaqt o'tishi bilan atmosferada 14 [note 6]

### Uglerod almashinuvi rezervuari
]
Uglerod butun atmosfera, biosfera va okeanlarda tarqalgan; bular birgalikda uglerod almashinuvi rezervuari deb ataladi,  va har bir komponent alohida ravishda uglerod almashinuvi rezervuari deb ham ataladi. Uglerod almashinuvi rezervuarining turli elementlari ular qancha uglerodni saqlashi va 14 Uglerodning anchagina qismi minerallashadi va yer osti boyliklarini, chunonchi: toshkoʻmir, neft, ohaktosh va boshqalarni hosil qiladi. Uglerod radioaktiv izotoplarining biologiya va tibbiyot tadqiqotlarida qoʻllanishi moddalar almashinuvini oʻrganishda katta ahamiyatga ega. 14S molekulyar biologiyada oqsillar biosintezi va irsiy informatsiyalarning oʻtkazilish mexanizmini oʻrganishda qoʻllanadi.qancha vaqt olishi bilan farq qiladi.14 14 ular bilan to'liq aralashish uchun kosmik nurlar tomonidan yaratilgan. Bu 14 nisbatiga ta'sir qiladi14 14 dan 12 12 turli suv omborlarida va shuning uchun har bir rezervuarda paydo bo'lgan namunalarning radiokarbon yoshi. Atmosfera, bu yerda 14 14 hosil bo'ladi, rezervuarlardagi umumiy uglerodning taxminan 1,9% ni o'z ichiga oladi va 14 14 u etti yildan kamroq vaqt ichida aralashmalarni o'z ichiga oladi.  nisbati 14 14 dan 12 Atmosferadagi 12 boshqa suv omborlari uchun asos sifatida olinadi: agar boshqa suv omborida 14 dan pastroq bo'lsa.14 14 dan 12 12, bu uglerodning eski ekanligini va shuning uchun ham 14 dan ba'zilari ekanligini ko'rsatadi14 14 chirigan yoki rezervuar atmosferaning asosiy chizig'ida bo'lmagan uglerodni qabul qilmoqda. Okean yuzasi misol bo'la oladi: u almashinuv rezervuaridagi uglerodning 2,4% ni o'z ichiga oladi, ammo bu yerda atigi 95% 14 Agar nisbat atmosferadagi bilan bir xil bo'lsa, kutilgandek 14 Atmosferadagi uglerodning er usti okeani bilan aralashishi uchun ketadigan vaqt bor-yo'g'i bir necha yilni tashkil etadi , lekin er usti suvlari ham suv omboridagi uglerodning 90% dan ortig'i bo'lgan chuqur okeandan suv oladi. Okean tubidagi suvning er usti suvlari orqali qaytib aylanishi uchun taxminan 1000 yil kerak bo'ladi, shuning uchun er usti suvlari eskirgan suvlarning kombinatsiyasini o'z ichiga oladi, 14 dan kamaygan.14 14, va yaqinda suv yuzasida, 14 bilan14 14 atmosfera bilan muvozanatda.