Ядерные реакции, происходящие при бомбардировке атмосферы космическими частицами, сейчас хорошо известны. Но нас будет интересовать всего одна, в результате которой получается радиоактивный изотоп углерода угле-род-14. Он отличается от своего собрата хорошо известного обычного углерода только тем, что в его ядре находится на два нейтрона больше.
Подсчитано, что ежегодно в атмосфере Земли возникает около семи килограммов радиоуглерода.
Образовавшийся в верхних слоях атмосферы, на высоте около пятнадцати километров, радиоуглерод обычно в течение нескольких часов окисляется кислородом воздуха и рассеивается в атмосфере. Зато дальше все происходит очень медленно: несмотря на перемешивание атмосферы
он достигнет поверхности Земли лишь в течение года. И здесь ему предстоит сыграть очень важную роль.
Земная растительность возникла благодаря фотосинтезу. Чтобы «создать» растения, природе, грубо говоря, требуется всего-навсего углекислый газ, вода, щепотка различных солей да солнечные лучи. Весь «строительный материал» растения берут из почвы и воздуха. Солнце помогает химическим превращениям. Вместе с обычным углеродом растения поглощают и его радиоактивного собрата. Но на этом приключения радиоуглерода не кончаются. Животные питаются растениями, человек и растениями и животными. Таким образом, и животные и люди тоже получают радиоуглерод и становятся в некотором смысле «радиоактивными».
Но углерод-14 не только накапливается. Со временем он опять превращается в азот. В течение года распадается около семи килограммов радиоуглерода, то есть ровно столько же, сколько порождается космическими лучами. Этот изотоп находится в состоянии равновесия. Сколько его образуется, столько и исчезает.
Однако это равновесие в органическом мире непостоянно. С момента смерти организм перестает усваивать радиоуглерод. Теперь идет только распад. Скорость радиоактивного распада углерода известна: через 5600 лет его останется в два раза меньше, чем было вначале. Следовательно, радиоактивность животного или растения, умершего 5600 лет назад, будет вдвое меньше, чем у ныне живущих. Зная законы радиоактивного распада и установив радиоактивность исследуемого образца, можно вычислить, сколько времени прошло с момента его гибели. Образно говоря, смерть заводит радиоактивные часы.
Всеми этими особенностями радиоуглерода воспользовался профессор Чикагского университета Уиллард Фрэнк Либби. В 1948 году он предложил по измерению радиоактивности органических останков устанавливать время смерти исследуемого объекта. И это предложение было справедливо оценено научным миром: в 1960 году Либби стал лауреатом Нобелевской премии.
ГЛАВА IIВ СТЕНАХ ЛАБОРАТОРИЙ
Определение содержания радиоуглерода в образцах основано на том, что в процессе его распада испускаются электроны, которые можно зарегистрировать счетчиками ядерного излучения. Распад идет очень медленно. Чтобы зафиксировать гибель хотя бы одного атома в минуту, требуется более четырех миллиардов атомов радиоактивного углерода. Казалось бы, огромное количество! Но это не так. Если извлечь из какого-нибудь образца углерод, то в каждом его грамме будет содержаться (если мы взяли, конечно, образец, в котором еще поддерживается равновесие углерода-14) около шестидесяти шести миллиардов атомов радиоуглерода.
Значит, как это показывает простая арифметика, каждый грамм углерода даст примерно 15 распадов в минуту.
Поместим исследуемое вещество в счетчик и по регистратору импульсов вычислим, сколько образцу лет. Однако электроны достаточно «вялы» и не могут преодолевать большие расстояния в плотной среде. Поэтому, если мы поместим в счетчик твердый образец например, кусочек угля или дерева, то сможем измерить только излучение атомов, расположенных в верхнем слое. Излучение же от внутренней части не достигнет его поверхности, а следовательно, не будет измерено. Мы определим возраст угля неправильно. Поэтому обычно исследуемую древесину или уголь переводят в газообразное состояние сжигают, получая хорошо нам известную двуокись углерода, или переводят в метан. Одним из этих газов и наполняют счетчик.
И все же, как бы тщательно газ ни был приготовлен, результат получится неправильным. Почему? Нам помешает фон от окружающих нас предметов, в которых, хотя и в незначительном количестве, содержатся радиоактивные элементы, такие, как уран, торий, калий и другие. Испускаемые ими частицы при попадании в счетчик тоже будут давать импульсы, неотличимые от радиоуглеродных.
Чтобы избавиться от этих помех, счетчик экранируют помещают в железный «шкаф», у которого толщина стенок более тридцати сантиметров. Но ведь само железо тоже содержит радиоактивные микропримеси, излучение которых влияет на точность эксперимента. Поэтому на счетчик надевают еще и цилиндр со ртутью. Такое «одеяло» уже надежно закрывает счетчик от посторонних излучений. Если, например, незащищенный счетчик дает в минуту пятьсот импульсов вместо ожидаемых пятнадцати, то после экранировки всего сто.
А почему не пятнадцать?
Дело в том, что экраны не спасают от достигающих поверхности Земли очень энергичных космических частиц. Они довольно легко проникают через огромные толщи вещества и могут исказить любой эксперимент.