Радиометрия: радиоизотопные методы

Радиометрические методы датирования вещества начали развиваться после Второй Мировой войны благодаря углубленному изучению явления радиоактивности. Они обеспечили мощный рывок вперед в хронологических проблемах всех наук о Земле благодаря широкому распространению материалов, пригодных для датирования – горных пород и органического вещества. Их можно разделить на две подгруппы – радиоизотопные методы и радиогенные методы.

Общий принцип радиоизотопных методов – измерение изменений изотопного состава, связанных с (1) радиоактивным распадом и/или (2) накоплением соответствующих нуклидов. Требуемые в обоих случаях константы распада (или периоды полураспада T_1/2) для всех имеющих практическое значение радиоизотопов известны с достаточной точностью. В первом случае необходимо знать начальное количество изотопа, которое либо определяется по продуктам его распада, либо принимается априорно (как в случае радиоуглеродного метода), но тогда появляется необходимость учитывать его изменения во времени (проводить калибровку результатов). Важным методологическим основанием, с которым связано и большинство погрешностей метода, является допущение закрытости системы (датируемого объема вещества), т.е. отсутствия обмена изотопами с окружающей средой. Во втором случае необходимо знать скорость поступления радионуклида в систему. С оценкой этой скорости, а также с выполнением допущения о прочной фиксации радионуклида в системе также связаны неизбежные погрешности датирования. От практического пользователя требуется четкое понимание этих ограничений как источника возможных погрешностей, часто значительных ("отскоков" дат), включая их специфику для каждого метода.

Даже если предположить, что все допущения выполняются и анализируемый образец является носителем некоторой "истинной даты", все равно лабораторные процедуры обладают конечной точностью ввиду стохастической природы процесса радиоактивного распада. Полученная дата представляет собой случайную величину, подчиненную нормальному закону распределения: T±σ, где T – математическое ожидание, σ – стандартная погрешность измерений. На шкале времени это не точка, а интервал, который с определенной вероятностью содержит "истинную дату". Высокая точность (низкое σ) лабораторных изменений еще не является гарантией того, что установлен истинный возраст датируемого объекта (причина – возможное невыполнение допущения о закрытости системы). Для большей уверенности принято делать множественное и дублирующее датирование – серии дат по разрезу, несколько дат из наиболее важных стратиграфических единиц, выполнять датирование несколькими методами, а также использовать разного рода независимый контроль по стратиграфическим, геоморфологическим археологическим и другими соображениям.

Лабораторное определение концентрации радиоизотопов производится двумя способами (Блинов, 1999):

(1) По продуктам радиоактивного распада (α-распад – излучение ядра атома гелия ⁴₂He²⁺ (α-частица); β-распад – излучение электрона (β^– распад) или позитрона (β⁺ распад) путем измерения интенсивности излучения на специальных счетчиках. При больших T_1/2 или малых концентрациях приходится значительно увеличивать время измерения образца вплоть до практической невозможности получения статистически достоверных результатов.

(2) Прямое измерение числа атомов в масс-спектрометрах – приборах, разделяющих в пространстве движущиеся ионы, различающиеся по отношению m/q (m – масса атомного ядра, q – заряд иона). Современное поколение приборов достигает чувствительности 10^-10 (1 атом примеси на 10¹⁰ атомов основного нуклида). Для измерения многих природных радиоизотопов этого недостаточно. Разработанная в 1980-е гг ускорительная масс-спектрометрия (accelerated mass-spectrometry – AMS) позволяет измерять ультранизкие концентрации изотопов (предел чувствительности 10^-14 - 10^-15), что дало импульс к развитию целого набора методов датирования, основанных на природных космогенных радионуклидах.