Willard Libby og hans radiocarbon metode

Willard Libby og hans radiocarbon metode

Ilya Leenson,
cand. Chem. Videnskab, Art. videnskabelig. et al. Fakultet for Kemi, MSU
"Trinity Option" № 3 (222), 14. februar 2017

Libby om hans installation. Billeder fra alchetron.com

I 1955 blev den internationale konference om fredelige brugen af ​​atomenergi afholdt i Genève. En af talernes tale begyndte usædvanligt. Han kom på podiet med en stor kuffert, tog sine gamle kurvesko ud og meddelte, at han havde en nordamerikansk for 9.500 år siden. Så tog han et stykke træår fra en kuffert og sagde, at det blev lavet i det gamle Egypten for 3000 år siden. Hvordan fandt højttaleren ud af dette? Faktum er, at der på podiet var udvikleren af ​​radiokarbonmetoden for dating arkeologiske artefakter, den fremtidige vinder af Nobelprisen, den amerikanske fysiske kemiker Frank Willard Libby.

Han blev født i 1908 i Grand Valley (Colorado) i familien af ​​en analfabeter med tre klasser af uddannelse. Han tog eksamen fra skolen i 1926. Han drømte om minearbejderens karriere. Men efter at have startet sine studier ved University of California i Berkeley besluttede han at kemi er meget mere interessant. I 1931 modtog han en bachelorgrad i kemi og blev to år senere doktor.I graduate school arbejdede Libby under ledelse af den berømte fysiske kemiker Gilbert Norton Lewis (1875-1946) og fandt ud af, at elementet samarium har en ringe radioaktivitet. Det viste sig, at en af ​​isariumernes samspil (147Sm), som blev betragtet som stabil, faktisk nedfald, kun meget langsomt (halveringstiden er 106 milliarder år). Erfaringer med meget svag radioaktivitet hjalp Libby til at modtage Nobelprisen i fremtiden. Men mens hans karriere gik den sædvanlige måde. To år efter gradueringen modtog Libby sin doktorgrad og blev lærer. I anden verdenskrig deltog han i Manhattan-projektet – han arbejdede på gasdiffusionsteknologi for at adskille uranisotoper. I slutningen af ​​krigen blev Libby professor ved Det Naturvidenskabelige Fakultet ved University of Chicago og gennemførte samtidig forskning ved universitetets Nuclear Research Institute.

Den anden helt i vores historie er radiokarbon. Naturligt kulstof består af to stabile og en radioaktiv isotop. Stabil er 12C (99% i naturen) og 13C (1%).

Vores planet udsættes for kontinuerlig bestråling af kosmiske partikler.Hvis det ikke var for atmosfæren, at overføre kun en lille del af kosmisk stråling til jordens overflade, ville livet på Jorden være umuligt, dets overflade ville afvige lidt fra Månens overflade. Af de forskellige nukleare reaktioner, der foregår i den øvre atmosfære, er vi nu interesserede i at fange neutroner af nitrogenatomer, hvor en proton flyver ud af kernen og carbon-14 opnås: 14N + n14C + r. Hvert sekund over 1 dm2 Jordens overflade danner et gennemsnit på kun 240 atomer 14C. Som følge heraf vises ca. 8 kg årligt i hele atmosfæren. 14C. Men så meget og falder fra hinanden: 14C er radioaktiv; som et resultat af beta decay dannes igen 14N. Halveringstid 14C er 5.730 år gammel. Derfor er der 60 tons nuklid på jorden. 14C. For kloden 60 tons – en dråbe i havet. Så i atmosfærisk kuldioxid mængden 14C er kun omkring et ton, eller ca. 10-11% af "normalt" carbon. 12C (med en lille blanding af stabilt 13C); Resten af ​​radiokarbonen er for det meste opløst i vand.

atomer 14C i atmosfæren oxideres hurtigt til 14CO2. Og kuldioxid er en kilde til kulstof, som absorberes af planter i fotosyntese.Dyr fodrer på planter, derfor indeholder alle levende organiske stoffer radiokarbon, selv om de i små mængder – et atom 14Med omkring et billioner atomer 12C. Som følge af indholdet af metaboliske processer 14Med i planter og dyr hele deres liv forbliver konstant. Så den menneskelige krop indeholder i gennemsnit en femten millioner milligram 14C. Denne lille mængde indeholder stadig omkring 750 billioner radioaktive atomer, hvoraf mere end to tusind henfald hvert sekund. Men så snart udvekslingen med miljøet ophører, begynder radiokarbonernes indhold at falde meget langsomt – to gange hver 5730 år. Beregn antallet af atomer, når tiden er gået tkan være ved formlen N = N0×2t/T = N0ethvor λ er forfaldet konstant lig med ln2 /T = 0,693/T.

En detaljeret undersøgelse af mønstre for dannelse og opløsning af radiokarbon muliggjorde Willard Frank Libby at lave en fremragende opdagelse i slutningen af ​​1940'erne og modtage Nobelprisen i kemi i 1960 for at indføre metoden til anvendelse af carbon-14 til bestemmelse af alder inden for arkæologi, geologi, geofysik og andre videnskabsområder ".

De teoretiske grundlag for radiocarbon dating metode er ret simple.Men for deres praktiske brug måtte bruge en masse arbejde, som ikke kan betragtes som fuldstændig og til dato. Det var først nødvendigt at fastslå om indholdet 14C i almindelig kulstof er det samme i alle levende organismer. Til dette formål blev mange objekter undersøgt, hovedsageligt træprøver fra friskskårne træer i forskellige dele af kloden på forskellige breddegrader. Det viste sig, at indholdet 14C er ens i dem: i hvert gram kulstof ekstraheret fra en levende organisme falder ca. 15,3 atomer inden for et minut 14C og tildelte de samme beta-partikler (elektroner). Dette er en ekstremt svag radioaktivitet.

Prøvenes alder er angivet som følger: Hvis 1 g carbon i teststoffet udsender gennemsnitligt 15,3 / 2 = 7,65 beta-partikler pr. Minut, så er prøven 5730 år gammel (tiden er gået T), hvis 3,8 partikler – 11 460 år (forløbet tid 2T) osv. Ifølge formlen og = og0et (og0 og og – aktivitet i begyndelsen og gennem tiden t) Du kan beregne aldersprøven for enhver aktivitet: t = (1 / λ) ln (en0/en). I tilfælde af radiokarbon, 1 / λ = 5730 / In2 = 8270 år. For eksempel, hvis aktiviteten af ​​en prøve af gammelt træ er faldet (sammenlignet med "friskt" træ) med 2,17 gange, er alderen af ​​en sådan prøve lig med t = 8270 × ln2.17 = 8270 × 0.775 ≈ 6400 år. Det er selvfølgelig meget vigtigt, at nøjagtigheden med hvilken antikvitetsaktiviteternes aktivitet bestemmes. Det var her, at Libby havde en af ​​de største vanskeligheder. Da prøverne var signifikant mindre end den radioaktive baggrund, var det nødvendigt at anvende store prøver, for at beskytte mod ekstern stråling og en meget lang måling (nogle gange i mange dage).

For pålideligt at bestemme alderen inden for et par tusinde år havde Libby og hans personale brug for at tage mindst 20 gram kulstof fra en prøve. Hvis disse var kul fra ild fra en gammel mand eller træer faldt af en gletscher, så var der ingen problemer – kulstof til forskning var rigeligt. Men hvis prøven er et unikt produkt, for eksempel et gammelt billede, så vil det naturligvis ikke opstå, at nogen brænder en væsentlig del af den for at indstille alderen, selv om det teoretisk var muligt (billederne blev malet på lærred og lærredet blev fremstillet af plantefibre). Libby kontrollerede nøjagtigheden af ​​hans foreslåede metode til dating ved at måle radioaktiviteten af ​​mahogni og granprøver, hvor den nøjagtige alder blev etableret ved at tælle årlige ringe.

Metoden blev også testet på prøver, hvis alder er kendt fra arkæologiske data. Libby modtog strålende bekræftelse af hans teori. Blandt de arkæologiske fund, der blev dateret ved hjælp af Libby-metoden, var træstykker fra faraoernes graver (alder fra 3900 til 5600 år); Charred brød fra et hus i Pompeji, begravet under vulkansk aske i 79 AD e.; et stykke træ fra den egyptiske faraos begravelsesbåd, taget i Chicago Museum of Natural History; stykker klud, der blev brugt til at binde manuskripter fundet i Dødehavsregionen (Esajas bog); Trækul fra stedet for gamle mennesker i Stonehenge (England); en majsstængel fra en hule i New Mexico osv. Libby fandt også, at den sidste istid i Nordamerika sluttede for 10 tusinde år siden, ikke 25 tusind år, som tidligere blev beregnet af geologer. Etableringen af ​​tiden for de sidste istidstider på Jorden betragtes som den vigtigste præstation af Libby-metoden.

Der opstod vanskeligheder i tilfælde af, at prøvens alder oversteg flere titusinder af år; med atomer 14C forbliver så lille, at deres aktivitet er vanskelig at måle med tilstrækkelig nøjagtighed selv ved hjælp af de bedste strålingstællere.Problemer opstår med for "unge" prøver, indholdet af radioaktivt kulstof, hvor der ikke er noget forskelligt fra det moderne.

Udviklingen af ​​massespektrometri ved hjælp af en accelerator i 1970'erne gjorde det muligt at øge målfølsomheden med mere end tusind gange. I de seneste år inden for nøjagtige målinger af nuklidindholdet 14Da sådanne fremskridt er gjort, er nu tilstrækkelige i stedet for tiere gram til analyse, kun få milligram, og undertiden fraktioner af et milligram af en prøve. Sandt nok bruger den komplekse og dyre udstyr.

For at kontrollere og korrigere metoden blev analysen af ​​årlige ringe af nogle træer, hvis alder skønnes at være tusinder af år (for en fyrretræ fyr – mere end 4900 år) blev udført. Der er ikke behov for at skære ned et træ, det er nok at skære en lang kerne med lille diameter fra den og tage en prøve af en kendt alder (fra årlige ringe). (Lignende kerner blev skåret, for eksempel fra isen Antarktis at studere sin historie.)

Der er ingen kulstofudveksling mellem de årlige ringe, så et naturligt fald i 14C, når den flyttes fra den udvendige del af bagagerummet til midten, i overensstemmelse med formlen for radioaktivt henfald.Det viste sig imidlertid, at mængden af ​​radiokarbon i atmosfæren ikke altid var nøjagtig den samme som den er nu (intensiteten af ​​kosmisk stråling er ikke konstant), så det var nødvendigt at indføre særlige ændringer. Massetest af atomvåben i 1950'erne og 1960'erne ændrede også indholdet 14C i luften: En meget stærk top i midten af ​​det tyvende århundrede er synlig på grafen af ​​afvigelser af radioaktivt indhold af kulstof i gennemsnittet i forskellige tidsperioder.

Når der anvendes radiokarbonmetoden, foretages der derfor korrektioner på kalibreringsplanen, der tager hensyn til både naturlige og menneskeskabte faktorer.

Sko lavet af gamle indianere. Foto fra natural-history.uoregon.edu

Et meget alvorligt problem er forureningen af ​​prøven, der analyseres. Samtidig er et uheldigt hit af "gammelt" kulstof, for eksempel i form af kridt, til "moderne" ikke så farligt: ​​fejlen i dette tilfælde vil være lille. En sådan forurening har fundet sted siden midten af ​​1800-tallet på grund af brændingen af ​​fossile brændstoffer, når kuldioxid i atmosfæren er fortyndet med "gammel", der ikke indeholder 14C. Det giver en afvigelse på ca. 3%, og det tages også i betragtning i beregningerne. Men hvis i den gamle prøve, hvor indholdet af radiocarbon under dets eksistens er faldet, sig, hundrede gange, mindsker mindst 1% af urenheden af ​​"moderne" kulstof, så er den samlede 14C i prøven vil fordoble, hvilket vil føre til en stor fejl ved bestemmelse af alderen (det vil være lig med T, dvs. ca. 5700 år!). Med sådan "forurening" af de studerede genstande skal håndtere ganske ofte. For eksempel i staten Oregon (USA) i Fort Rocks hul fandt 300 par antikke sko. Arkæologer har besluttet sig for den bedste bevarelse for at dække dem med et lag af shellak lak. Heldigvis var det for seks par lakker ikke nok, så de forblev egnede til at bestemme alderen af ​​radiokarbonmetoden (i lakken er der en "frisk" 14C, som ville have sløret hele billedet).

Billeder af webstedet dic.academic.ru

Siden Libby er der blevet udført tusindvis af målinger ved hjælp af radiokarbonmetoden. Nysgerrighed er sket Når man bruger radiokarbonmetoden for at prøve at bestemme græsens alder, der vokser nær hovedvejen med tung trafik, viste det sig at græsset … mange tusind år! Løsningen her er ret simpel: græsset assimilerede kuldioxid, hvis kilde i vid udstrækning var udstødningsgassen fra biler. Disse gasser blev opnået ved brænding af benzin, og benzin blev opnået fra råolie. Olie blev dannet for millioner af år siden, i hendes nuklid 14Siden ikke bevaret. Det er derfor indholdet 14C på vejkanten viste sig at være stærkt undervurderet.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: