Радиоуглеродное датирование


Радиоуглеро́дное дати́рование — разновидность метода радиоизотопного датирования, применяемая для определения возраста органических останков путём измерения содержания в материале радиоактивного изотопа 14C по отношению к стабильным изотопам углерода. Метод радиоуглеродного датирования предложен Уиллардом Либби в 1946 году, за что ему была присуждена Нобелевская премия по химии 1960 года. Метод основан на том, что живые организмы поглощают вместе с пищей и нерадиоактивный, и радиоактивный углерод, который постоянно вырабатывается в атмосфере из-за воздействия космических лучей на атмосферный азот. После гибели животного или растения обмен углеродом с окружающей средой прекращается, 14C в останках постепенно распадается, и по его остаточной удельной активности можно оценить время гибели организма. Для уточнения возраста необходимо использовать калибровочные кривые. В 2020 году были приняты новые версии калибровочных кривых для Северного полушария (IntCal20)[1], Южного полушария (SHCal20)[2] и морских образцов (Marine20)[3], которые позволяют датировать образцы возрастом до 55 000 лет[4][5].

Углерод, будучи одним из основных элементов в составе биологических организмов, присутствует в земной атмосфере в виде стабильных изотопов 12C (98,89 %) и 13C (1,11 %) и радиоактивного 14C, который присутствует в следовых количествах (около 10−10 %). Изотоп 14C постоянно образуется в основном в верхних слоях атмосферы на высоте 12—15 км при столкновении вторичных нейтронов от космических лучей с ядрами атмосферного азота:

В среднем в год в атмосфере Земли образуется около 7,5 кг радиоуглерода при общем его количестве ~75 тонн.

Образование радиоуглерода вследствие естественной радиоактивности на поверхности Земли пренебрежимо мало.

Радиоизотоп углерода 14C испытывает β-распад с периодом полураспада T1/2 = 5,70 ± 0,03 тыс. лет[6], постоянная распада λ = 1,216·10−4 год−1:

Соотношение радиоактивного и стабильных изотопов углерода в атмосфере и в биосфере примерно одинаково из-за активного перемешивания атмосферы, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене, получая углерод из окружающей среды, а изотопы, в силу их химической неразличимости, участвуют в биохимических процессах практически одинаковым образом.


Изменение атмосферной концентрации радиоуглерода 14C, вызванное ядерными испытаниями. Синим показана естественная концентрация
1: Образование радиоуглерода 14C.
2: Распад 14C.
3: Условие равновесия для живых организмов и неравновесия для умерших организмов, в которых радиоуглерод распадается без пополнения извне
Калибровочная кривая 1998 года, использовавшаяся при радиоуглеродном датировании (Stuiver et al. 1998[10])
Уточнённая калибровочная кривая 2020 года IntCal20 для диапазона 0—55 000 лет до настоящего времени в северном полушарии.[11]
Пик углерода-14 в 774 году н. э. Цветными точками показаны измерения деревьев. Чёрная линия — смоделированные данные