Как быть с радиоуглеродным анализом,датирующим находки возрастом больше библейского возраста Земли? Элементы квантовой механики. Физика твердого тела

Задачи для К. Р.N 7 Физика атомного ядра

https://pandia.ru/text/78/238/images/image002_132.jpg" width="49" height="28">1. Сколько нуклонов, протонов и нейтронов содержится в ядре магния-

https://pandia.ru/text/78/238/images/image004_88.jpg" width="26" height="25 src=">3. Сколько нуклонов, протонов и нейтронов содержится в ядре атома урана

4 Изотоп фосфора " образуется при бомбардировке алюминия а-частицами. Какая частица испускается при этом ядерном превращении? Запишите ядерную реакцию.

https://pandia.ru/text/78/238/images/image007_57.jpg" width="26" height="25">протонами образуется кислородКакие ядра образуются помимо кислорода?

Азот" href="/text/category/azot/" rel="bookmark">азота

7. Определите число нуклонов, протонов и нейтронов, со­держащихся в ядре атома натрия

8. Допишите ядерную реакцию: left">

9. Рассчитайте дефект массы, энергию связи и удельную энергию связи ядра алюминия

https://pandia.ru/text/78/238/images/image013_39.jpg" width="44" height="19">распадов испытывает уран в последовательном превращении в свинец Рb?

11. Каков период полураспада радиоактивного элемента, активность которого уменьшилась в 4 раза за 8 сут?

https://pandia.ru/text/78/238/images/image016_33.jpg" width="28" height="25">Се распадается в течение одного года из 4,2 1018 атомов, если период по­лураспада данного изотопа равен 285 сут?

https://pandia.ru/text/78/238/images/image018_23.jpg" width="12" height="20"> распадов.

https://pandia.ru/text/78/238/images/image020_19.jpg" width="48" height="26 src=">16. Определите дефект массы, энергию связи и удельную энергию связи ядра азота

17 В какой элемент превращается изотоп тория после а-распада, двухраспадов и еще одногораспада?

https://pandia.ru/text/78/238/images/image024_31.gif" width="45" height="24">18. Какая доля радиоактивных ядер некоторого элемента распадается за t , равное половине T полурас­пада?

19 Ядро изотопа получилось из другого яд­ра после последовательных а - и - распадов. Что это за яд­ро?

20. Рассчитайте дефект массы, энергию связи и удельную энергию связи ядра углерода

21. Определите мощность первой советской атомной элек­тростанции, если расход урана-235 в сутки составлял 30 г при КПД 17%. При делении одного ядра урана на два осколка выделяется 200 МэВ энергии.

22. Рассчитайте, какая энергия выделяется при термо­ядерной реакции:

23 Относительная доля радиоактивного углеродав старом куске дерева составляет 0,6 доли его в

живых рас­тениях..jpg" width="173" height="25 src=">24. Определите КПД атомной электростанций , если ее мощность 3,5 105 кВт, суточный расход урана 105 г. Считайте, что при делении одного ядра урана выделяется 200 МэВ энергии.

25. Каков энергетический выход следующей ядерной реак­ции: -----

Ядерные реакторы" href="/text/category/yadernie_reaktori/" rel="bookmark">ядерном реакторе 1 г это­го изотопа урана? Какое количество каменного угля не­обходимо сжечь для получения такого же количества энергии? Удельная теплота сгорания угля рав­на 2,9-107 Дж/кг.

28. Определите энергетический выход следующей ядерной реакции:

https://pandia.ru/text/78/238/images/image034_7.jpg" width="36" height="29 src="> равен 27,8 сут. Через какое время распадается 80% атомов?

30. Рассчитайте энергетический выход следующей ядер­ной реакции:

31 Атомная электростанция мощностью 1000 МВт имеет КПД 20%. Рассчитайте массу расходуемого за сутки урана-235. Считайте, что при каждом делении одного ядра урана выделяется энергия 200 МэВ.

32. Найдите, какая доля атомов радиоактивного изотопа кобальта распадается за 20 сут, если период его полураспада 72 сут.

Природа,1992, № 12, стр. 59-65.

Радиоактивный углерод

И.Я.Василенко, В.А.Осипов, В.П.Рублевский

© Василенко И.Я., Осипов В.А., Рублевский В.П. Радиоактивный углерод.

Иван Яковлевич Василенко, доктор медицинских наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР, ведущий научный сотрудник Института биофизики Минздрава Российское Федерации. Область научных интересов - токсикология продуктов ядерного деления, радиационная гигиена.

Вячеслав Александрович Осипов, кандидат медицинских наук, ведущий научный сотрудник того же института, специалист по токсикологии. Занимается исследованием кинетики обмена и биологической эффективности радионуклидов в организме млеко-питающих.

Владимир Петрович Рублевский, кандидат технических наук, старший научный сотрудник того же института. Основные научные интересы связаны с экологией, охраной окружающей среды и радиационной безопасностью ядерной энергетики.

ИЗ ВСЕХ природных элементов таблицы Менделеева углероду принадлежит особая роль - он составляет структурную основу органических соединений, в том числе тех, которые входят в состав живых организмов.

Природный углерод - это смесь двух стабильных изотопов: 12 С (98,892%) и 13 С (1,108 %). Из четырех радиоактивных изотопов (10 С, 11 С, 14 С и 15 С) только долгоживущмй углерод-14 (период полураспада 5730 лет) представляет практический интерес, поскольку участвует в круговороте углерода биосферы. Этот чистый низкоэнергетический вета-излучатель с максимальной энергией частиц 156 кэВ относится к числу глобальных радионуклидов. Образуется он как в естественных, так и в искусственных условиях в результате нескольких ядерных реакций. Повышение концентрации антропогенного 14 С во внешней среде, а его источники - ядерные взрывы и выбросы предприятий ядерной энергетики) представляет большую гигиеническую и экологическую проблему.

ИСТОЧНИКИ РАДИОУГЛЕРОДА

Природный нуклид образуется главным образом при взаимодействии вторичных нейтронов космического излучения с ядрами азота в верхних слоях атмосферы по реакции 14 N (n, р) 14 С. Роль других реакций - 15 N (n, a) 14 С; 16 О (р, Зр) 14 С; 17 О (n,а) 14 С; 13 C (n.у) 14 С - в образовании природного углерода-14 незначительна из-за малых сечений взаимодействия и низкого содержания ядер этих изотопов в естественной смеси элементов.

Средняя интенсивность образования этого нуклида в атмосфере (в основном в стратосфере) равна 2,28 атом/с на 1 см2 земной поверхности, что составляет 9,7 x 10 \23 атом/сут. По массе это примерно 22,5 г/сут, а по активности-около 2,8 ТБк/сут или 1 ПБк/год. Среднее содержание природного нуклида в атмосфере и биосфере остается постоянным: 227 ± 1 Бк/кг углерода.

Антрогюгеиный углерод-14 образуется в основном подобно природному, т.е. нейтроны (возникающие в большом количестве при взрыве ядерных бомб) поглощаются ядрами азота-14. Количество нуклида зависит от типа бомбы (атомная или термоядерная), ее конструкции (используемые материалы) и мощности (плотность потока нейтронов). Величина выхода 14 С при взрывах по реакции синтеза принята равной 0,65 ПБк/Мт, по реакции деления - почти в пять раз меньше (0,12 ПБк/Мт). Подсчитано, что со времени взрыва первой атомной бомбы в 1945 г. до 1980 г. образовалось 249,2 ПБк углерода-14 (табл. 1).

С 1981 г. испытания ядерного оружия в атмосфере прекратились, и предприятия ядерно-топливного цикла оказались единственным мощным источником антропоген-ного нуклида, способным заметно влиять на повышение его концентрации в атмосфере и биосфере Земли. Этот нуклид образуется в активной зоне атомных реакторов любого типа, где существуют мощные потоки нейтронов, которые взаимодействуют с материалами конструкций реактора, с веществом теплоносителя, замедлителя, топлива и имеющимися в них примесями: 14 N (п, р) 14 С; 17 O (n.a) 14 С; 13 C (n.y) 14 С; 235 U (n.f) 14 C (тройное деление урана-235 в топливе).

В зависимости от типа и особенностей конструкции реактора вклад каждой из этих реакций в образование нуклида может меняться очень значительно. Согласно расчетам, его удельный выход при облучении тепловыми нейтронами некоторых веществ, применяемых в качестве замедлителя или теплоносителя по реакции (n,р), в газообразном азоте и воздухе примерно на четыре порядка выше, чем по реакции (n,а) в воде, углекислом газе или кислороде воздуха благодаря большому сечению взаимодействия тепловых нейтронов с ядрами азота (а = 1750 мбарн) и его высокому содержанию в воздухе (78%). Выход 14С по реакции (n,у) в графите, детолилметане, газойле и терфениле еще на порядок ниже, чем по реакции (n, а).

Скорость образования углерода-14 в топливе зависит главным образом от концентрации примеси азота: при обычном его содержании (0,001-0,002%) скорость составляет примерно 0,4-2,5 ТБк/(ГВт/год), а в воде теплоносителя-замедлителя находится в пределах 0,2-0,5 ТБк/(ГВтэ/год) .

В действующих АЭС бывшего СССР используются в основном водо-водяные реакторы (ВВЭР-440 и ВВЭР-1000), водо-графит-ные (РБМК-1000 и РБМК-1500) и реакторы на быстрых нейтронах (БН-350 и БН-600). Первые и третьи реакторы аналогичны соответствующим типам зарубежных реакторов (PWR и PBR) по скорости генерации 14 С и его выходу в окружающую среду.

Реакторы РБМК с кипящей водой под давлением в качестве теплоносителя и графитом в качестве замедлителя не имеют аналогов в зарубежной практике реакторостроения. Их основная особенность - наличие большого количества азота в активной зоне, используемого в смеси с гелием для охлаждения замедлителя, и большой массы углерода самого замедлителя. Это приводит к большей скорости генерации 14 С до величины 2- 3 ТБк/ (ГВтэ/год), что примерно на порядок больше, чем в реакторах типа ВВЭР .

Углерод-14, образующийся в теплоносителе и замедлителе, частично или полностью выбрасывается в окружающую среду в виде газоаэрозолей, а из топлива реакторов - с радиоактивными отходами заводов по его переработке (регенерации).

МИГРАЦИЯ ВО ВНЕШНЕЙ СРЕДЕ

Радиоуглерод высоко подвижен. С мест выбросов в результате атмосферных процессов нуклид переносится на большие расстояния и, окисляясь до 14 СО2, вступает в естественный круговорот углерода.

Известно, что весь земной углерод сосредоточен в двух бассейнах - «осадочном» и «обменном». Углерод первого бассейна (органический и неорганический углерод осадочных пород, уголь, нефть и другие ископаемые) практически не участвует в естественных обменных процессах, он вступает в круговорот только после сжигания органического топлива. Углерод второго бассейна, в котором находится около 0,17% всего земного количества углерода, причем более 90% его - в глубинных водах Мирового океана, участвует в круговороте отдельными его резервуарами: атмосферой, биосферой, гидросферой и др.

Модель глобальной циркуляции углерода-14, поступающего в атмосферу с выбросами предприятий ядерно-топливного цикла (1) и со сбросами (2). Коэффициенты обмена приведены в отн. ед./год.

Круговорот углерода в природе состоит как бы из двух циклов, проходящих параллельно в наземной и морской частях биосферы и связанных атмосферой. Из множества моделей, описывающих поведение углерода в «обменном» бассейне, НКДАР использует для расчетов 8-резервуарную, в которой учитываются все основные процессы, проходящие в природном цикле углерода Земли.

Скорость обмена углерода между резервуарами «обменного» бассейна различна: среднее время пребывания молекулы CO2 в атмосфере до ее перехода в воду океана составляет несколько лет, из его глубин в атмосферу - до нескольких сотен лет, а из осадочных пород в атмосферу даже несколько миллионов лет. Таким образом, осадочные породы являются как бы «могильником» радиоуглерода (естественного и искусственного), в котором он практически распадается и выходит из природного круговорота.

КИНЕТИКА ОБМЕНА

Окисленный во внешней среде, до 14 СО2 углерод-14 за счет фотосинтеза накапливается в растениях (в незначительных количествах поглощается и из почвы), а затем по пищевым цепочкам поступает животным и человеку. Коэффициент перехода в цепочке «атмосферный углерод - углерод растений» равен единице, а равновесие устанавливается в течение двух-трех месяцев За время интенсивных испытаний ядерного оружия (1963-1964 гг.) содержание 14 C в растительных продуктах, молоке, мясе повысилось примерно в два раза по сравнению с природным фоном. Заметим, период полуочищения продуктов питания составляет около шести лет .

В организм человека радиоуглерод поступает в форме различных органических и неорганических соединений, в основном в составе углеводов, белков и жиров. Аэрогенное поступление незначительно - лишь 1% от пищевого. Чтобы понять, какое действие оказывает на организм. 14 C, поступающий в виде органических и неорганических соединений, мы в опытах на крысах исследовали кинетику обмена. Выяснилось, что обмен неорганических соединений (На2 14 СОз, NaH 14 CO3, К2 14 СОз) характеризуется высокой интенсивностью; радиоуглерод обнаруживается в крови животных уже с первых минут поступления в организм, через 15 мин. его содержание достигает максимума - нескольких процентов от введенного количества. Образуя в крови непрочные бикарбонатмые соединения, радиоуглерод быстро выводится. В органах и тканях накапливается лишь незначительная часть введенного количества нуклида, причем распределяется он достаточно равномерно: вначале - в печени, почках, селезенке, а затем - в скелетной и жировой ткани. При длительном поступлении активность нуклида медленно накапливается - от 1,7% на вторые сутки до 7,7 на 32-е от ежедневно вводимого количества Na2 14 CO3. Можно считать, что к концу месяца опытов устанавливается равновесное состояние между поступлением нуклида и его содержанием в организме крыс, при этом кратность накопления примерно равна 0,07.

В экспериментах по изучению обмена 14 C в форме органических соединений мы использовали содержащие нуклид глюкозу, янтарную кислоту, глицин, валин, трипто-фан, глицерин, пальмитиновую и стеариновую кислоты, метиловый и этиловый спирты, т. е. соединения, входящие в состав важнейших классов: углеводов, белков, жиров и спиртов. Поступив в организм, высокомолекулярные соединения расщепляются до низкомолекулярных, углерод которых в конце концов окисляется до углекислоты. Одновременно синтезируются аминокислоты, жирные кислоты, гексозы и другие важные метаболиты, используемые организмом как энергетический и пластический материал. Таким образом, радионуклид проникает во все структуры и ткани живых организмов.

Динамика его накопления при хроническом поступлении в виде органических соединений зависит от формы соединения. Равновесное содержание 14 С-глюкозы наступает к концу третьего месяца (кратность накопления равна трем), 14 С-глицина и 14 С-пальмитиновой кислоты - к концу четвертого (кратность накопления соответственно 12 и 13) .

Скорость выведения из организма нуклида органических соединений в определенной мере тоже зависит от их класса: нуклид углеводов выводится интенсивнее, чем поступивший в форме аминокислот и жирных кислот, а введенный в составе спиртов задерживается дольше «углеводного», Со временем скорость выведения постепенно замедляется, видимо за счет того, что поступивший в организм нуклид используется как пластический материал. Радиоуглерод выводится в основном через органы дыхания, значительно меньше - через почки и кишечник, причем соотношение тоже зависит от формы соединения.

Известно, что конечные метаболиты углеводов, жиров и спиртов - углекислота и вода, а белков - еще и мочевина, мочевая кислота, креатинин (последние и выводятся из организма почками и кишечником). Часть нуклида спиртов выдыхается в неизмененном виде.

Результаты исследований на крысах мы использовали для оценки обмена углерода-14, поступающего в организм человека с пищей. Поскольку в стандартный рацион взрослого человека входит около 500 г углеводов, по 100 г жиров и белков, а доля углерода в них составляет соответственно 50, 75 и 54%, то с пищей мы получаем за день около 70, 20 и 10% углерода.

Если учесть, что кратность накопления нуклида, поступающего в составе этих соединений, равна 15, 65 и 60, то в стандартном рационе она окажется равной примерно 31. Это значение близко к кратности накопления у человека стабильного углерода и нуклида естественного происхождения. Наступление равновесного состояния будет определять радиоуглерод, поступающий с жирами и белками, и, памятуя различия в интенсивности обмена у крысы и человека, можно ожидать, что у последнего оно наступит примерно через 1,5 года после начала поступления нуклида в организм .

Таким образом, обмен радиоуглерода зависит от формы его соединения, что сказывается на величинах формируемых доз внутреннего облучения (табл. 2). Поглощенные дозы содержащих его органических веществ с момента поступления в организм до образования конечных метаболитов не одинаковы: в силу различий их метаболизма, но в среднем они в десятки-сотни раз больше, чем неорганических. Особенности метаболизма различных соединений радиоуглерода сказываются и на их токсичности.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

Эффект облучения, как известно, зависит от величины поглощенной, дозы, ее мощности, объема облучаемых тканей и органов и вида излучения. В основе повреждающего действия лежит комплекс взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов - ионизация и возбуждение атомов и молекул дают начало образованию высокоактивных радикалов, вступающих во взаимодействие с различными биологическими структурами клеток. Важноe значение имеет внутри- и межмолекулярная передача энергии возбуждения, а также возможные разрывы связей в молекулах за счет непосредственного действия радиации. Физико-химические процессы, протекающие на начальном этапе, принято считать первичными, пусковыми. В последующем развитие лучевого поражения проявляется в нарушении функций органов и их систем.

Особую опасность представляют радионуклиды, которые, накапливаясь в органах и тканях, становятся источником длительного внутреннего облучения. Характер его зависит от физико-химических свойств радионуклидов, среди них особое место, как отмечено, занимает углерод-14, поскольку является изотопом основного биогенного элемента. Биологическое действие его связывают не только с радиационными, но и трансмутационными эффектами, которые возникают при превращении атомов 14 С в атомы 14 N в результате (бета-распада. Особую опасность эти процессы могут приобрести при включении радиоуглерсда в ДНК и РНК половых клеток, так как даже единичные акты его распада ведут к неустранимым организмом точковым мутациям.

Многие специалисты считают, что биологическая эффективность нуклида за счет трансмутационного действия должна существенно повыситься. Но результаты экспериментов оказались противоречивыми. Значение относительной биологической эффективности 14 C, установленное разными исследователями7 по показателям генных мутаций (фаг, дрожжи, дрозофила), хромосомных аберраций (корешки лука и проростки бобов) и репродуктивной гибели клеток (культура ткани и бактерии), колеблется от 1 до 20. Видимо, это связано с разными условиями опытов, разнообразием тестов и условий облучения. Материалы исследований на теплокровных животных нам неизвестны.

Мы изучали биологическое действие остропоражающих доз радиоуглеродв на мышей, используя органические соединения, которые могут моделировать поступление нуклида в составе белков (14 С-глицин), жиров (14 С-стеариновая кислота), а также 14 С-янтарную кислоту, соединение, образующееся в организме в результате окисления углеводов, белков и жиров (т. е. всех основных пищевых продуктов) и их взаимных превращений в клетках. Состояние животных оценивали по клиническим, гематологическим, физиологическим, биохимическим, иммунологическим и патологоанатомическим показателям.

Облучение животных было длительным, относительно равномерным. Различие в поглощенных дозах (их оценивали по данным специальных радиометрических исследований) в органах и тканях, за исключением жировой, дозы облучения которой были выше среднетканевых примерно в два-три раза, не превышало 1,5. К концу первого месяца дозы формировались примерно на 50%, а в течение трех-шести месяцев (в зависимости от соединения) - на 90%. Отмеченные особенности облучения имеют принципиальное значение в оценке биологической эффективности радиоуглерода, который характеризуется сравнительно невысокой радиотоксичностью, определяемой формой соединения. Для глицина доза, вызывающая гибель 50% животных за 30 сут (СД 50/30), равна 6,3 МБк/г массы тела. К моменту гибели 50% мышей (средняя продолжительность жизни 17,5 ± ± 1,5 сут) cреднетканевая доза составила 8-1 Гр при мощности 0,08-0,02 сГр/мин. Тяжелые радиационные поражения мышей со смертельным исходом в течение первого месяца при введении 14 С-стеариновой кислоты (2,2 МБк/г) связаны с тем, что на единицу введенной активности формируются более высокие дозы внутреннего облучения.

Па результатам исследований биологического действия 14 С-глицина, с учетом особенностей метаболизма и формируемых величин поглощенных доз на единицу введенной активности, мы оценили токсичность и других соединений радиоуглерода. Оказалось, что токсичность 14 С-карбоната и бикарбоната натрия в 130 раз ниже, чем 14 С-глицина, 14 С-карбонатов калия и кальция - соответственно в 85 и 30 раз, 14 С-глю-козы, 14 С-глюкозамина и 14 С-янтарной кислоты - примерно в четыре-раза, 14 С-валина, 14 С-этилового и 14 С-метилового спиртов - почти такая же, как токсичность 14 С-глицина, а 14 С-триптофана, и 14 С-пальмитиновой кислоты - примерно в четыре-пять раз выше. Учитывая содержание углеводов, белков и жиров в суточном рационе, мышей, мы рассчитали, что доза нуклида, вызывающая гибель 50% животных за 30 сут, приблизительно равна 15 МБк/г массы тела.

Содержание радиоуглерода в организме крыс при однократном введении в форме: 14 С-бикарбоната натрия (1), 14 С-карбонатов натрия (2), калия (3); и кальция (4); 14 С-янтарной кислоты (5), 14 С-глюкозамина (6), 14 С-глюкозы (7), 14 С-этилового (8) и метилового (9) спиртов, 14 С-валина (10), 14 С-глицерина (11), 14 С-стеариновой кислоты (12), 14 С-глицина (13), 14 C-триптофана (14) и 14 С-пальмитиновои кислоты (15).

В клиническом течении острых поражений нуклидом, поступающим с пищей, не было существенных отличий от лучевой болезни, вызванной внешним гамма-облучением, так же выделялись известные периоды: скрытый, выраженных проявлений болезни и восстановительный (выздоровление или переход болезни в хроническую форму). Изменения показателей крови, по которым обычно судят о тяжести болезни, были типичными, нарушение обмена проявлялось в ожирении животных, отчетливо фиксировалось бластомогенное (опухолеродное) действие нуклида. При остром поражении они резко теряли свою массу и погибали на фоне глубокой лейкопении (низком содержании лейкоцитов в периферической крови). Тяжелые и средней тяжести поражения перешли в хроническую форму, медленно восстанавливались показатели крови. Выздоровление крайне затянулось. Продолжительность жизни (в зависимости от тяжести поражения) была существенно ниже, чем у контрольных мышей.

Концепция беспорогового действия ионизирующей радиации поставила проблему малых доз. Опасность доз на уровне естественного облучения связывают в основном с индуцированием мутаций (их число определяется величиной поглощенной дозы) в соматических: » половых клетках. Мутации в соматических клетках приводят к росту злокачественных новообразований и другим нарушениям, в половых-к снижению воспроизводительной функции, отклонению нормального развития и наследственным болезням. При воздействии малых доз возможны медленно развивающиеся нарушения с широким индивидуальным разбросом, зависящим от исходного состояния организма и его наследственных особенностей.

Биологическое действие малых доз углерода-14 в условиях хронического поступления мы исследовали в опытах на крысах. Животные восьми групп получали его ежедневно с питьевой водой в форме 14С-глюкозы в течение всей жизни в количестве 92,5; 18,3; 13; 1,9; 1,3; 0,2; 0,1 и 0,01 кБк/г массы тела. Среднетканевые поглощенные дозы составили соответственно 233; 47; 11,5; 1; 0,5; 0,1 и 0,01 мГр в год. Состояние крыс оценивалось клиническими, гематологическими, физиологическими, биохимическими, иммунологически-ми и морфологическими показателями.

В начальный период состояние подопытных и контрольных животных существенно не отличалось, но в последующем выявились функциональные изменения, которые можно оценить как реакцию на облучение. И в конце опытов (в основном в трех первых группах) обнаружилась морфологическая патология в легких, почках и печени, снизилась воспроизводительная функция. Видимо, в начальный период организму удается компенсировать нарушения, но затем, по мере накопления радиационных повреждений сказывается недостаточность механизмов репарации и адаптивных реакций. В результате снижаются устойчивость организма к другим неблагоприятным факторам внешней среды и продолжительность жизни.

Состояние крыс, облученных меньшими дозами (четвертая - восьмая группы), оставалось без существенных изменений в течение всего опыта, хотя и проявлялась тенденция к более раннему появлению опухолей молочных желез по сравнению с контрольными животными. Количественные различия, однако, оказались статистически недостоверными.

Генетические эффекты действия радиоуглерода мы изучали (совместно с сотрудниками Института общей генетики РАН В.А. Шевченко, М.Д. Померанцевой и Л.К. Рамайя) на разных стадиях сперматогенеза у мышей при однократном, длительном и хроническом введении самцам 14 С-глюкозы. Через три месяца после однократного введения нуклида дозы облучения составили 0,22; 0,5; и 1,01 Гр, при длительном-0,74 и 1,47 (к концу опыта) и хроническом - 0,066 и 0,013 Гр/год.

Мы сопоставили частоту доминантных летальных мутаций в пост- и премейотических половых клетках, частоту реципрок-ных транслокаций (обмена двумя участками между гомологическими хромосомами) в сперматогониях и частоту встречаемости аномальных головок спермиев с этими же показателями при действии внешнего гамма-излучения. Выяснилось, что относительная генетическая эффективность радиоуглерода составляет примерно 1-2, причем трансмутационные последствия не выявляются - видимо, 14 С-глюкоза не проникает в ДНК половых клеток. Наши выводы вряд ли следует считать окончательными, радиационное действие на живой организм требует множества специальных исследований.

Итак, мы имеем некоторые экспериментальные результаты по действию разных доз радиоуглерода на животных. Можно ли на основании этого оценить соматические и генетические последствия в человеческой популяции при повышении концентрации нуклида? Мы попытались сделать это (табл. 3), приняв во внимание, что при происходящем глобальном загрязнении окружающей среды радиоуглеродом устанавливается равновесие в цепи «атмосфера - продукты питания - человек» с коэффициентом дискриминации во всей цепочке, равным 1 ;

ядерные испытания в атмосфере прекращены;

существует беспороговое линейное соотношение доза/эффект.

При генетической эффективности нуклида, равной 1 (без трансмутаций), можно ожидать, что число онкогенных заболеваний со смертельным исходом в популяции из 10 6 человек и среди 10 6 новорожденных при облучении в дозе 10 6 чел.-Гр составит 124 и 40 случаев соответственно. Для сравнения отметим: смертность от новообразований различной этиологии и локализации (без учета действия ионизирующего облучения) достигает 1500-2000 случаев в год в такой же популяции людей, а естественная частота генетических нарушений - 60 тыс. случаев на 10 млн. детей, причем 16 тыс. - тяжелые дефекты.

Итак, воздействию глобального радионуклида - углерода-14 - подвергаются все представители растительного и животного мира. Не исключено, что в экосистемах существуют менее устойчивые объекты, чем человек, потому повышение концентрации радиоуглерода во внешней среде представляет не только гигиеническую, но и экологическую проблему... Отсутствие явного генетического груза как результата облучения естественным радиоуглеродом, видимо, связано с выработкой в ходе эволюции защитных механизмов, которые устраняют мутационные повреждения на разных стадиях развития организмов. Но с увеличением доз облучения эти механизмы могут оказаться недостаточно эффективными.

1. Былкин Б. К., Рублевский В.П., Хрулев А. А, Т и щ е н к о В. А. // Атом. техника за рубежом. 1988. № 1. С. 17-20. 2. Рублевский В. П., Голенецкий С, П., К и р д и н Г. С. Радиоактивный углерод в биосфере. М., 1979.

3. Б о л и н Б. Круговорот углерода // Биосфера. М., 1982. С. 91--104.

4. Broeker W. S., WaHon A.//Science. 1959. V. 130. N 3371. P. 309-314.

5. Василенко И. Я., Бугры шее П. Ф., Истомина А. Г., Т у р о в а В. И. // Журн. гигиены, эпидемиологии, микробиологии и иммунологии (Прага). 1982. Вып. 26. № 1. С. 18-27.

6. В а с и л е н к о И. Я., О с и 11 о в В. А., Л я г и н-с к а я А. М. и др. Кинетика обмена и биологическое действие радиоактивного углерода (^С). Пре-принт ЦНИИатоминформ-ОН-4-88. М., 1988. С. 28-29.

7. См., например; Кузин А. М., Исаев Б. М., Хвостов а Б. М. и др. Эффективность биологического действия ^С при его включении в живые структуры // Радиационная генетика. М., 1962. С.267- 273; Кузин А. М., Глембоцкий Я. Л., Л в п к и н Ю. А.//Радиобиология. 1964. Т. 4. № 6. С. 804-809; Александров С. Н., П о п о в Д. К., Стрельникова Н. К.//Гигиена и санитария. 1971. № 3. С. 63-66; Apelgot S. Effect lйtal de la dйsintйgration d"atomes radioacfivs [ "H, "C, "Pi incorpores dons Lactous//Biological effects of transmutation and decay of incorporated radioiiotops. Vienna, 1968. P. 147-163.

Создать перпендикулярное к пластинке магнитное поле с ность потенциалов Uх=2,8 В. Определить концентрацию но- индукцией В=0,100 Тл, то возникает поперечная разность сителей тока. потенциалов U2=55 нВ. Определить для меди концентрацию 119. Поперечная разность потенциалов, возникающая свободных электронов n и подвижность Un. при пропускании тока через алюминиевую пластинку тол- 112. Подвижность электронов в германии n-типа щиной 0,1 мм, равна 2,7⋅10-6 В. Какой ток пропускается че- 3,7⋅10 см2/(В⋅с). Определить постоянную Холла, если 3 рез пластину, если она помещена в магнитном поле с ин- удельное сопротивление полупроводника 1,6⋅10-2 Ом⋅м. дукцией В=0,5 Тл. Концентрация электронов проводимости 113. Перпендикулярно однородному магнитному по- равна концентрации атомов. лю, индукция которого 0,1 Тл, помещена тонкая пластинка Ядерная физика из германия, ширина пластинки b=4 см. Определить плот- 120. При распаде 94 Pu → 92 U + 2 He освобож- 239 235 4 ность тока j, при которой холловская разность потенциалов достигает значения 0,5 В. Постоянная Холла для германия дается энергия, большая часть которой составляет кинети- принять 0,3 м3/Кл. ческую энергию α- частиц. 0,09 мэВ уносят γ-лучи, ис- 114. Определить подвижность электронов в полупро- воднике, если постоянная Холла 0,8 м3/Кл, удельное сопро- пускаемые ядрами урана. Определить скорость α-частиц, тивление его 1,56 Ом⋅м. mPu=239,05122 а.е.м., mU=235,04299 а.е.м., mAl=4,00260 115. Энергии, необходимые для образования элек- а.е.м. тронов проводимости в германии и кремнии, соответствен- 121. В процессе деления ядро урана распадается на но равны 1,12⋅10-19 Дж и 1,76⋅10-19 Дж. В каком из этих по- две части, общая масса которых меньше начальной массы лупроводников при данной температуре концентрация соб- ядра приблизительно на 0,2 массы покоя одного протона. ственных электронов больше? Укажите, какой из этих эле- Сколько энергии выделяется при делении одного ядра ура- ментов более пригоден для изготовления фотосопротивле- на? ния. 123. Определить число атомов урана 92U238, распав- 116. При нагревании кремния от Т=273 К до Т=283 К шихся в течение года, если первоначальная масса урана 1 его удельная проводимость возросла в 2,3 раза. Определить кг. Вычислить постоянную распада урана. ширину запрещенной зоны кристалла кремния. 124. Вычислить число атомов радона, распавшихся в 117. Удельная проводимость кремния с примесями течение первых суток, если первоначальная масса радона 1 112 Ом/м. Определить подвижность дырок и их концентра- г. Вычислить постоянную распада урана. 125. В человеческом организме 0,36 массы прихо- цию, если постоянная Холла 3,66⋅10-4 м3/Кл. Полупровод- дится на калий. Радиоактивный изотоп калия 19К40 состав- ник обладает только дырочной проводимостью. ляет 0,012% от общей массы калия. Какова активность ка- 118. Тонкая пластинка из кремния шириной 2 см по- лия, если масса человека 75 кг? Период его полураспада мещена перпендикулярно к линиям индукции однородного магнитного поля равного 0,5 Тл? При плотности тока j=2 1,42⋅108 лет. мкА/мм2, направленного вдоль пластины, холловская раз- 126. 100 г. радиоактивного вещества лежит на весах. Через сколько суток весы с чувствительностью 0,01 г пока- жут отсутствие радиоактивного вещества? Период полурас- 137. Через сколько времени распадается 80% атомов пада вещества равен 2 суткам. радиоактивного изотопа хрома 24Сr51, если его период полу- 127. За два дня радиоактивность препарата радона распада 27,8 суток? уменьшилась в 1,45 раза. Определить период полураспада. 138. Масса радиоактивного изотопа натрия 11Na25 128. Определить число радиоактивных ядер в свеже- равна 0,248⋅10-8 кг. Период полураспада 62 с. Чему равна приготовленном препарате 53J131, если известно, что через начальная активность препарата и его активность через 10 сутки его активность стала 0,20 Кюри. Период полураспада мин? иода 8 суток. 139. Сколько радиоактивного вещества остается по 129. Относительная доля радиоактивного углерода истечение одних, двух суток, если вначале его было 0,1 кг? 14 6С в старом куске дерева составляет 0,0416 доли его в жи- Период полураспада вещества равен 2 суткам. вых растениях. Каков возраст этого куска дерева? Период 140. Активность препарата урана с массовым числом полураспада 6С14 составляет 5570 лет. 238 равна 2,5⋅104 расп/с, масса препарата 1 г. Найти период 130. Было установлено, что в радиоактивном препа- полураспада. рате происходит 6,4⋅108 распадов ядер в минуту. Опреде- 141. Какая доля атомов радиоактивного изотопа 234 лить активность этого препарата. 90Th , имеющего период полураспада 24,1 дня, распадает- 131. Какая доля первоначального количества ядер ся за 1с, за сутки, за месяц? 90 38Sr остается через 10 и 100 лет, распадается за один день, 142. Какая доля атомов радиоактивного изотопа ко- за 15 лет? Период полураспада 28 лет. бальта распадается за 20 суток, если период его полураспа- 132. Имеется 26⋅106 атомов радия. Со сколькими из да 72 суток? них произойдет радиоактивный распад за одни сутки, если 143. За какое время в препарате с постоянной актив- период полураспада радия 1620 лет? ностью 8,3⋅106 расп/с распадается 25⋅108 ядер? 133. В капсуле находится 0,16 моль изотопа 94Pu238. 144. Найти активность 1 мкг вольфрама 74W185, пери- Его период полураспада 2,44⋅104 лет. Определить актив- од полураспада которого 73 дня. ность плутония. 145. Сколько распадов ядер за минуту происходит в 134. Имеется урановый препарат с активностью препарате, активность которого 1,04⋅108 расп/с? 20,7⋅106 расп/с. Определить в препарате массу изотопа 146. Какая доля начального количества радиоактив- 235 92U с периодом полураспада 7,1⋅108 лет. ного вещества остается нераспавшейся через 1,5 периода 135. Как изменится активность препарата кобальта в полураспада? течение 3-х лет? Период полураспада 5,2 года. 147. Какая доля первоначального количества радио- 136. В свинцовой капсуле находится 4,5⋅1018 атомов активного изотопа распадается за время жизни этого изото- радия. Определить активность радия, если его период полу- па? распада 1620 лет. 148. Чему равна активность радона, образовавшегося из 1 г радия за один час? Период полураспада радия 1620 лет, радона 3,8 дня. 149. Некоторый радиоактивный препарат имеет по- Сколько α и β-превращений произошло в каждом стоянную распада 1,44⋅10-3 ч-1. Через сколько времени рас- семействе? падается 70% первоначального количества атомов? 159. Найти энергию связи, приходящуюся на один 150. Найти удельную активность искусственно полу- нуклон в ядре атома кислорода 8О16. ченного радиоактивного изотопа стронция 38Sr90. Период 160. Найти энергию, выделившуюся при ядерной ре- полураспада его 28 лет. акции: 151. Может ли ядро кремния превратиться в ядро H 2 + 1H 2 →1 H1 + 1H 3 1 алюминия, выбросив при этом протон? Почему? 161. Какая энергия выделится при образовании 1 г 152. При бомбардировке алюминия 13Al27 α- гелия 2Не4 из протонов и нейтронов? частицами образуется фосфор 15Р30. Записать эту реакцию и 162. Во что превращается изотоп тория 90Th234, ядра подсчитать выделенную энергию. которого претерпевают три последовательных α-распада? 153. При соударении протона с ядром берилия про- 163. Допишите ядерные реакции: изошла ядерная реакция 4 Be + 1 P → 3 Li + α . Найдите 9 1 6 3 Li 6 + 1 P 1 → ?+ 2 He 4 ; энергию реакции. 154. Найти среднюю энергию связи, приходящуюся 13 Al 27 + o n 1 → ?+ 2 He 4 на 1 нуклон, в ядрах 3Li6, 7N14. 164. Ядро урана 92U235, захватив один нейтрон, раз- 155. При обстреле ядер фтора 9F19 протонами образу- делилось на два осколка, при этом освободилось два ней- ется кислород 8О16. Сколько энергии освобождается при трона. Один из осколков оказался ядром ксенона 54Xe140. этой реакции и какие ядра образуются? Каков второй осколок? Напишите уравнение реакции. 156. Найти энергию, освободившуюся при следую- 165. Вычислить энергию связи ядра гелия 2Не3. щей ядерной реакции 4 Be + 1 H → 5 B + o n . 9 2 10 1 166. Найти энергию, освобождающуюся при ядерной реакции: 157. Изотоп радия с массовым числом 226 превра- тился в изотопе свинца с массовым числом 206. Сколько α и 20 Ca 44 + 1 P 1 → 19 K 41 + α β-распадов произошло при этом? 167. Написать недостающие обозначения в следую- 158. Заданы исходные и конечные элементы четырех щих ядерных реакциях: радиоактивных семейств: ....+ 1 P 1 → α + 11 Na 22 U 238 → 82 Pb 206 , 92 13 Al 27 + o n 1 → α + ... 90 Th 232 → 82 Pb 202 , 168. Определить удельную энергию связи тритина. U 235 → 82 Pb 207 169. Изменение массы при образовании ядра 7N15 92 равно 0,12396 а.а.м. Определить массу атома. 95 Am 241 → 83 Bi 209 170. Найти энергию связи ядер 1Н3 и 2Не4. Каков из этих ядер наиболее устойчив? 171. При обстреле лития 3Li7 протонами получается 183. За один год распалось 64,46% ядер их первона- гелий. Записать эту реакцию. Сколько энергии освобожда- чального количества радиоактивного препарата. Опреде- ется при такой реакции? лить среднее время жизни и период полураспада. 172. Найти энергию, поглощенную при реакции: 184. Среднее время жизни радиоактивного вещества N 14 + 2 He 4 → 1 P 1 + ? τ=8266,6 года. Определить время, за которое распадается 7 51,32% ядер от их первоначального количества период по- 173. Вычислить энергию связи ядра гелия 2Не4. лураспада, постоянную распада. 174. Найти энергию, освободившуюся при следую- 185. В радиоактивном веществе с постоянной распа- щей ядерной реакции: да λ=0,025 лет-1 распалось 52,76% ядер их первоначального 3 Li 7 + 2 He 4 → 5 B10 + o n 1 количества. Сколько времени длился распад? Чему равно среднее время жизни ядер? 175. Допишите ядерные реакции: 186. Определить активность 222 Rn массой 0,15 мкг с 86 ?+ 1 P → 11 Na 22 + 2 He 4 , 1 25 Mn 55 + ?→ 27 Co 58 + o n 1 периодом полураспада 3,8 суток через двое суток. Проана- 176. Найти энергию, освободившуюся при следую- лизировать зависимость А=f(t) щей ядерной реакции: 187. Период полураспада висмута (83 Bi 210) равен 5 3 Li 6 + 1 H 2 → 2α суток. Какова активность этого препарата массой 0,25 мкг 177. Ядра изотопа 90Th232 претерпевают α-распад, два через 24 часа? Считать, что все атомы изотопа радиоактив- β-распада и еще один α-распад. Какие ядра после этого по- ные. лучаются? 188. Изотоп 82 Ru 210 имеет период полураспада 22 го- 178. Определить энергию связи ядра дейтерия. да. Определить активность этого изотопа массой 0,25 мкг 179. Ядро изотопа 83Bi211 получилось из другого ядра через 24 часа? после одного α-распада и одного β-распада. Что это за яд- 189. Поток тепловых нейтронов пройдя в алюминии ро? расстояние d=79,4 см, ослабляется в три раза. Определить 180. Какой изотоп образуется из радиоактивного то- эффективные сечения реакции захвата нейтрона ядром ато- рия 90Th232 в результат 4-х α-распадов и 2-х β-распадов? ма алюминия. Плотность алюминия ρ=2699 кг/м3. 181. В радиоактивном препарата с постоянной распа- 190. Поток нейтронов ослабляется в 50 раз, пройдя да λ=0,0546 лет-1 распалось к=36,36 % ядер их первоначаль- расстояние d в плутонии, плотность которого ρ = 19860 ного количества. Определить период полураспада, среднее кг/м3. Определить d, если эффективное сечение захвата время жизни. За какое время распалось к ядер? ядром плутония σ = 1025 бары. 182. период полураспада радиоактивного вещества 191. Во сколько раз ослабляется поток тепловых ней- 86 лет. За какое время распадется 43,12% ядер их первона- тронов, пройдя в цирконии расстояние d=6 см, если плот- чального количества. Определить постоянную распада λ и ность циркония ρ = 6510 кг/м3, а эффективное сечение ре- среднее время жизни радиоактивного ядра. акции захвата σ = 0,18 барн. 192. Определить активность 85 Ra 228 с периодом по- активности образца из свежих растений. Период полураспа- лураспада 6,7 года через 5 лет, если масса препарата m=0,4 да 14С Т=5730 лет. 6 мкг и все атомы изотопа радиоактивны. 201. Определить толщину слоя ртути, если поток 193. За какое время распалось 44,62% ядер из перво- нейтронов пройдя этот свой ослабляется в 50 раз эффектив- начального количества, если период полураспада т=17,6 ное сечение реакции захвата нейтрона ядром σ = 38 барн, лет. Определить постоянную распада λ, среднее время жиз- плотность ртути ρ=13546 кг/м3. ни радиоактивного ядра. 202. Изотоп 81Тλ207 имеет период полураспада Т=4,8 194. Определить возраст археологической находки из млн. Какова активность этого изотопа массой 0,16 мкг через древесины, если активность образца по изотопу 14С состав- 6 время t=5 млн. Считать, что все атомы изотопа Тλ207 радио- ляет 80% образца из свежих растений. Период полураспада активны. 14 6 С равен 5730 лет. 203. Сколько ядер от них первоначального количест- 195. Жидкий калий ρ = 800кг / м 3 ослабляет поток ва вещества распадается за 5 лет, если постоянная распада нейтронов в два раза. Определить эффективное сечение ре- λ=0,1318 лет-1. Определить период полураспада, среднее акции захвата нейтрона ядром атома калия, если поток ней- время жизни ядер. тронов проходит в жидком калии расстояние d=28,56 см. 204. Определить активность 87 Fr 221 массой 0,16 мкг 196. Определить возраст древней ткани, если актив- с периодом полураспада Т=4,8 млн через время t=5мин. ность образца по изотопу 14С составляет 72% активности 6 Проанализировать зависимость активности от массы (А=f(m)). образца из свежих растений. Период полураспада 14С 6 205. Период полураспада изотопа углерода 6 С 14 Т=5730 лет. 197. Записать в полной форме уравнение ядерной ре- Т=5730 лет, активность древесины по изотопу 6 С 14 состав- акции (ρ,α) 22 Na . Определить энергию, выделяемую в ре- ляет 0,01% активности образцов из свежих растений. Опре- зультате ядерной реакции. делить возраст древесины. 198. Уран, плотность которого ρ=18950 кг/м3, ослаб- 206. Поток нейтронов, пройдя в сере (ρ=2000 кг/м3.) ляет поток тепловых нейтронов в 2 раза при толщине слоя расстояние d=37,67 см ослабляется в 2 раза. Определить d=1,88 см. Определить эффективное сечение реакции захва- эффективное сечение реакции захвата нейтрона ядром ато- та нейтрона ядром урана. ма серы. 199. Определить активность изотопа 89 Ас 225 с перио- 207. Сравнение активности препаратов 89 Ас 227 и дом полураспада Т=10 суток через время t=30 суток, если 82Pb 210 , если массы препаратов по m=0,16мкг, через 25 лет. начальная масса препарата m=0,05 мкг. Периоды полураспада изотопов одинаковы и равны 21,8 200. Определить возраст археологической находки из лет. древесины, если активность образца по 6 С 14 составляет 10% 208. В радиоактивном веществе за t=300 суток рас- палось 49,66% ядер их первоначального количества. Опре- делить постоянную распада, период полураспада, среднее 22. 52 82 112 142 172 202 время жизни ядра изотопа. 23. 53 83 113 143 173 203 209. Проанализируйте зависимость активности ра- 24. 54 84 114 144 174 204 диоактивного изотопа 89 Ас 225 от массы через t= 30 суток, 25. 55 85 115 145 175 205 если период полураспада Т=10 суток. Начальная масса изо- 26. 56 86 116 146 176 206 топа взять соответственно m1=0,05 мкг, m2=0,1 мкг, 27. 57 87 117 147 177 207 m3=0,15 мкг. 28. 58 88 118 148 178 208 210. Иридий ослабляет поток тепловых нейтронов в 2 28. 59 89 119 149 179 209 раза. Определить толщину слоя иридия, если его плотность 30. 60 90 120 150 180 210 ρ=22400 кг/м3, а эффективное сечение реакции захвата ней- трона ядром иридия σ=430 барн. Рекомендуемая литература n/n № задач 1. Савельев И.В. Курс физики. М,- 1987. Т3. 2. Трофимова Т.И. Курс физики. М, -1989. 1. 31 61 91 121 151 181 3. Ветров В.Т. Сборник задач по физике. Минск, - 2. 32 62 92 122 152 182 1991. 3. 33 63 93 123 153 183 4. Цедрик М.С. Сборник задач по курсу общей фи- 4. 34 64 94 124 154 184 зики. М,- 1989. 5. 35 65 95 125 155 185 6. 36 66 96 126 156 186 7. 37 67 97 127 157 187 8. 38 68 98 128 158 188 9. 39 69 99 129 159 189 10. 40 70 100 130 160 190 11. 41 71 101 131 161 191 12. 42 72 102 132 162 192 13. 43 73 103 133 163 193 14. 44 74 104 134 164 194 15. 45 75 105 135 165 195 16. 46 76 106 136 166 196 17. 47 77 107 137 167 197 18. 48 78 108 138 168 198 19. 49 79 109 139 169 199 20. 50 80 110 140 170 200 21. 51 81 111 141 171 201

Наталия спрашивает: «Скажите, пожалуйста, а как быть с радиоуглеродным анализом, который датирует находки возрастом гораздо более библейского возраста земли?».

Приветствую, Наталия!

Радиометрические методы, в том числе и радиоуглеродный, в определении возрастов археологических и палеонтологических находок имеют колоссальные погрешности из-за множества допущений, которые невозможно проверить. Поэтому такие методы являются весьма сомнительным инструментом в руках исследователей.

Подробнее о радиоуглеродном датировании, которое применяется только к находкам, бывшим когда-то живыми организмами. Метод основан на следующем. В атмосфере из атомов азота под действием космических излучений образуется радиоактивный углерод (С-14). В отличие от обычного углерода (С-12), С-14 радиоактивен, то есть нестабилен и медленно распадается до азота. Обе формы углерода входят в состав углекислого газа (СО2 ) , который через фотосинтез попадает в живые организмы. Соотношение С-14 и С-12 примерно одинаково как в атмосфере, так и в биосфере. После смерти организма распадающийся С-14 больше не заменяется углеродом из внешней среды, и его доля постепенно уменьшается. Зная соотношение С-14 и С-12 в настоящее время, это же соотношение в исследуемом образце, а также скорость распада (период полураспада радиоактивного углерода, то есть время, за которое количество элемента уменьшается вдвое – оно составляет 5730 лет), можно определить возраст находки. Считается, что если, например, в исследуемом образце это соотношение будет вдвое меньше, чем в современном, значит, образцу порядка 5730 лет, если вчетверо меньше, то 11 460 лет и т. д. Теоретически современными методами можно измерить концентрации углерода-14 в образцах не старше 50 тысяч лет.

Однако тут возникает серьезная загвоздка. Дело в том, что уменьшение доли радиоактивного углерода в исследуемых образцах можно приписать исключительно его распаду только в том случае, если соотношение С-14 и С-12 одинаково и для современных условий, и для древней эпохи. Если же доля радиоактивного углерода в то далекое время была ниже, то невозможно определить, чем вызвано низкое соотношение С-14 и С-12 в исследуемом образце – распадом радиоактивного углерода или плюс к этому еще и малым изначальным количеством С-14. Исследователи поэтому вводят следующее произвольное допущение: соотношение С-14 и С-12 всегда было одинаковым и постоянным. Низкое соотношение С-14 и С-12 в находках воспринимается исключительно как результат распада радиоактивного углерода. Есть основания считать, что доля С-14 была действительно более низкой в допотопную эпоху (в атмосфере и биосфере) вследствие наличия водной оболочки над атмосферой и более сильного магнитного поля, экранирующих космические излучения. Понятно, что радиоуглеродный анализ сильно завышает в этом случае возраст находок: ведь чем меньше в них уровень углерода-14, тем, как считают, прошло больше времени с начала распада элемента.

Кроме того, метод предполагает постоянную скорость распада (на самом деле мы этого не знаем), а также что С-14 не поступал в исследуемые образцы извне (об этом нам также неизвестно). Есть и другие факторы, влияющие на баланс обеих форм углерода, например, общее количество углерода в атмосфере и биосфере после Потопа снизилось, ведь были погребены несметные количества животных и растений, которые превратились в окаменелости, нефть, уголь, газ.

Как видим, метод радиоуглеродного датирования – это уравнение со многими неизвестными, что делает этот анализ малопригодным для исследований. Приведу примеры его «точности». Метод показал: только что убитые тюлени умерли 1300 лет назад; возраст туринской плащаницы, в которую было завернуто тело Христа после распятия, начинает отсчет с 14-го века. Вместе с тем, факт наличия С-14 в ископаемых остатках, которым приписывают миллионы лет, однозначно исключает этот возраст, поскольку радиоуглерод за миллионы лет уже давно бы распался.

Божьих благословений!

Читайте еще по теме "Творение":

Земля и ее атмосфера постоянно подвергаются радиоактивной бомбардировке потоками элементарных частиц из межзвездного пространства. Проникая в верхние слои атмосферы, частицы расщепляют находящиеся там атомы, способствуя высвобождению протонов и нейтронов, а также более крупных атомных структур. Содержащиеся в воздухе атомы азота поглощают нейтроны и высвобождают протоны. Эти атомы имеют, как и прежде, массу 14, но обладают меньшим положительным зарядом; теперь их заряд равен шести. Таким образом исходный атом азота превращается в радиоактивный изотоп углерода:

где n, N, С и р означают соответственно нейтрон, азот, углерод и протон.

Образование радиоактивных нуклидов углерода из атмосферного азота под воздействием космических лучей происходит со средней скоростью ок. 2,4 ат./с на каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Изменения солнечной активности могут обусловить некоторые колебания этой величины.

Поскольку углерод-14 радиоактивен, он нестабилен и постепенно превращается в атомы азота-14, из которых образовался; в процессе такого превращения он выделяет электрон – отрицательную частицу, что и позволяет зафиксировать сам этот процесс.

Образование атомов радиоуглерода под воздействием космических лучей обычно происходит в верхних слоях атмосферы на высотах от 8 до 18 км. Подобно обычному углероду, радиоуглерод окисляется в воздухе, и при этом образуется радиоактивный диоксид (углекислый газ). Под воздействием ветра атмосфера постоянно перемешивается, и в конечном итоге радиоактивный углекислый газ, образовавшийся под воздействием космических лучей, равномерно распределяется в атмосферном углекислом газе. Однако относительное содержание радиоуглерода 14 C в атмосфере остается чрезвычайно малым – ок. 1,2ґ10 –12 г на один грамм обычного углерода 12 С.

Радиоуглерод в живых организмах.

Все растительные и животные ткани содержат углерод. Растения получают его из атмосферы, а поскольку животные поедают растения, в их организмы в опосредованной форме тоже попадает диоксид углерода. Таким образом, космические лучи являются источником радиоактивности всех живых организмов.

Смерть лишает живую материю способности поглощать радиоуглерод. В мертвых органических тканях происходят внутренние изменения, включая и распад атомов радиоуглерода. В ходе этого процесса за 5730 лет половина исходного числа нуклидов 14 C превращаются в атомы 14 N. Этот интервал времени называют периодом полураспада 14 С. Спустя еще один период полураспада содержание нуклидов 14 С составляет всего 1/4 их исходного числа, по истечении следующего периода полураспада – 1/8 и т.д. В итоге содержание изотопа 14 C в образце можно сопоставить с кривой радиоактивного распада и таким образом установить промежуток времени, истекший с момента гибели организма (его выключения из кругооборота углерода). Однако для такого определения абсолютного возраста образца необходимо допустить, что начальное содержание 14 С в организмах на протяжении последних 50 000 лет (ресурс радиоуглеродного датирования) не претерпевало изменений. На самом деле образование 14 С под воздействием космических лучей и его поглощение организмами несколько менялось. В результате измерение содержания изотопа 14 С в образце дает лишь приблизительную дату. Чтобы учесть влияние изменений начального содержания 14 С, можно использовать данные дендрохронологии о содержании 14 C в древесных кольцах.

Метод радиоуглеродного датирования был предложен У.Либби (1950). К 1960 датирование по радиоуглероду получило всеобщее признание, радиоуглеродные лаборатории были созданы по всему миру, а Либби был удостоен Нобелевской премии по химии.

Метод.

Образец, предназначаемый для радиоуглеродного анализа, следует брать с помощью абсолютно чистых инструментов и хранить в сухом виде в стерильном полиэтиленовом пакете. Необходима точная информация о месте и условиях отбора.

Идеальный образец древесины, древесного угля или ткани должен весить примерно 30 г. Для раковин желательна масса 50 г, а для костей – 500 г (новейшие методики позволяют, впрочем, определять возраст и по гораздо меньшим навескам). Каждый образец необходимо тщательно очистить от более древних и более молодых углеродсодержащих загрязнений, например, от корней выросших позже растений или от обломков древних карбонатных пород. За предварительной очисткой образца следует его химическая обработка в лаборатории. Для удаления инородных углеродсодержащих минералов и растворимых органических веществ, которые могли проникнуть внутрь образца, используют кислотный или щелочной раствор. После этого органические образцы сжигают, раковины растворяют в кислоте. Обе эти процедуры приводят к выделению газообразного диоксида углерода. В нем содержится весь углерод очищенного образца, и его иногда превращают в другое вещество, пригодное для радиоуглеродного анализа.

Традиционный метод требует гораздо менее громоздкого оборудования. Сначала применяли счетчик, определяющий состав газа и по принципу работы сходный со счетчиком Гейгера. Счетчик наполняли углекислым или иным газом (метаном либо ацетиленом), полученным из образца. Любой радиоактивный распад, происходящий внутри прибора, вызывает слабый электрический импульс. Энергия радиационного фона окружающей среды обычно колеблется в широких пределах, в отличие от радиации, вызванной распадом 14 С, энергия которого, как правило, близка к нижней границе фонового спектра. Весьма нежелательное соотношение фоновых величин и данных по 14 С можно улучшить путем изоляции счетчика от внешней радиации. С этой целью счетчик закрывают экранами из железа или высокочистого свинца толщиной в несколько сантиметров. Кроме того, стенки самого счетчика экранируют расположенными вплотную один к другому счетчиками Гейгера, которые, задерживая все космическое излучение, примерно на 0,0001 секунды дезактивируют и сам счетчик, содержащий образец. Метод экранирования сводит фоновый сигнал до нескольких распадов в минуту (образец древесины массой 3 г, относящийся к 18 в., дает ~40 случаев распада 14 С в минуту), что позволяет датировать довольно древние образцы.

Примерно с 1965 широкое распространение в датировании получил метод жидкостной сцинтилляции. При его использовании полученный из образца углеродсодержащий газ превращают в жидкость, которую можно хранить и исследовать в небольшом стеклянном сосуде. В жидкость добавляют специальное вещество – сцинтиллятор, – которое заряжается энергией электронов, высвобождающихся при распаде радионуклидов 14 С. Сцинтиллятор почти сразу испускает накопленную энергию в виде вспышек световых волн. Свет можно улавливать с помощью фотоумножительной трубки. В сцинтилляционном счетчике имеются две такие трубки. Ложный сигнал можно выявить и исключить, поскольку он послан лишь одной трубкой. Современные сцинтилляционные счетчики характеризуются очень низким, почти нулевым, фоновым излучением, что позволяет датировать с высокой точностью образцы возрастом до 50 000 лет.

Сцинтилляционный метод требует тщательной подготовки образцов, поскольку углерод должен быть превращен в бензол. Процесс начинается с реакции между диоксидом углерода и расплавленным литием, в результате которой образуется карбид лития. В карбид понемногу добавляют воду, и он растворяется, выделяя ацетилен. Этот газ, содержащий весь углерод образца, под действием катализатора превращается в прозрачную жидкость – бензол. Следующая цепочка химических формул показывает, как углерод в этом процессе переходит из одного соединения в другое:

Все определения возраста, полученные на основе лабораторного измерения содержания 14 С, называют радиоуглеродными датами. Они приводятся в количестве лет до наших дней (ВР), а за момент отсчета принимается круглая современная дата (1950 или 2000). Радиоуглеродные даты всегда приводят с указанием возможной статистической ошибки (например, 1760 ± 40 до ВР).

Применение.

Обычно для установления возраста события применяют несколько методов, особенно если речь идет о сравнительно недавнем событии. Возраст крупного, хорошо сохранившегося образца может быть установлен с точностью до десяти лет, но для неоднократного анализа образца требуется несколько суток. Обычно результат получают с точностью 1% от определяемого возраста.

Значение радиоуглеродного датирования особенно возрастает в случае отсутствия каких-либо исторических данных. В Европе, Африке и Азии ранние следы первобытного человека выходят за пределы времени, поддающегося радиоуглеродному датированию, т.е. оказываются старше 50 000 лет. Однако в рамки радиоуглеродного датирования попадают начальные этапы организации общества и первые постоянные поселения, а также возникновение древнейших городов и государств.

Радиоуглеродное датирование оказалось особенно успешным при разработке хронологической шкалы многих древних культур. Благодаря этому теперь возможно сравнивать ход развития культур и общества и устанавливать, какие группы людей первыми освоили те или иные орудия труда, создали новый тип поселений либо проложили новый торговый путь.

Определение возраста по радиоуглероду приобрело универсальный характер. После образования в верхних слоях атмосферы радионуклиды 14 С проникают в разные среды. Воздушные потоки и турбулентность в нижних слоях атмосферы обеспечивают глобальное распространение радиоуглерода. Проходя в воздушных потоках над океаном, 14 С попадает сначала в поверхностный слой воды, а затем проникает и в глубинные слои. Над материками дождь и снег приносят 14 С на земную поверхность, где он постепенно накапливается в реках и озерах, а также в ледниках, где может сохраняться на протяжении тысячелетий. Изучение концентрации радиоуглерода в этих средах пополняет наши знания о кругообороте воды в Мировом океане и о климате прошлых эпох, включая последний ледниковый период. Радиоуглеродный анализ остатков деревьев, поваленных наступавшим ледником, показал, что самый последний холодный период на Земле завершился примерно 11 000 лет назад.

Растения ежегодно усваивают диоксид углерода из атмосферы в период вегетации, и изотопы 12 С, 13 С и 14 С присутствуют в клетках растений примерно в той же пропорции, в какой они представлены в атмосфере. Атомы 12 С и 13 С содержатся в атмосфере в почти постоянной пропорции, но количество изотопа 14 С колеблется в зависимости от интенсивности его образования. Слои годового прироста, называемые древесными кольцами, отражают эти различия. Непрерывная последовательность годовых колец одного дерева может охватывать 500 лет у дуба и более 2000 лет у секвойи и остистой сосны. В аридных горных районах на северо-западе США и в торфяных болотах Ирландии и Германии были обнаружены горизонты со стволами мертвых деревьев разных возрастов. Эти находки позволяют объединить сведения о колебаниях концентрации 14 С в атмосфере на протяжении почти 10 000 лет. Правильность определения возраста образцов в ходе лабораторных исследований зависит от знания концентрации 14 С во время жизни организма. Для последних 10 000 лет такие данные собраны и обычно представляются в виде калибровочной кривой, показывающей разницу между уровнем атмосферного 14 С в 1950 и в прошлом. Расхождение между радиоуглеродной и калиброванной датами не превышает ±150 лет для интервала между 1950 н.э. и 500 до н.э. Для более древних времен это расхождение увеличивается и при радиоуглеродном возрасте в 6000 лет достигает 800 лет. См. также АРХЕОЛОГИЯ