Датиране чрез въглерод 14, част 1

В това видео ще разгледаме как се образува въглерод-14 и как се превръща в съставна част на всички живи организми. После или в това, или в някое друго видео, ще видим как с помощта на въглерод-14 можем да определим възрастта на дадена находка и да кажем, че дадена кост например е на 12 000 години или че даден човек е починал преди 18 000 години. Сега ще нарисувам Земята. Ето това е земната повърхност, или по-точно малка част от нея. Следва атмосферата на Земята. Ще я нарисувам в жълто. Ето това е атмосферата. Сега ще го запиша. Над 2/3, или 78% от атмосферата се състои от азот. 78% азот. Тук ще напиша "азот". Отбелязва се с N. Съдържа 7 протона и 7 неутрона. Атомната му маса е около 14. Това е най-разпространеният изотоп на азота. Повече относно понятието "изотоп" има в плейлиста с клипове по химия. С две думи – броят на протоните определя вида на химичния елемент. Но това число тук горе се променя в съответствие с броя на неутроните. Различните варианти на даден елемент се наричат изотопи. За мен изотопите са варианти на даден елемент. И така, ето я атмосферата, а от Слънцето се излъчват т.нар. космически лъчи, които всъщност не са лъчи, а космически частици. Можеш да приемеш, че те са единични протони, което се равнява на водороден атом. Те могат да бъдат и алфа частици, което се равнява на хелиев атом. Има дори и няколко електрона. Те ще навлязат в атмосферата и ще се сблъскат с обекти, намиращи се в нея, като по този начин ще образуват неутрони. Ще отбележим неутрона с малко n, а масата му с 1. Не пишем нищо, тъй като тук няма протони, както беше при азота, който съдържа 7 протона. Тоест не става дума за истински химичен елемент, а за елементарна частица. И така, образуват се неутрони. Искам да подчертая, че не говорим за типична химична реакция. От време на време някой неутрон се сблъсква с азот-14 по такъв начин, че изблъсква един от протоните в азота и заема мястото на този протон. Повтарям: изблъсква един от протоните и така, вместо 7 протона, остават 6. Но азот-14 не се превръща в азот-13, тъй като неутронът заема мястото на изместения протон. И така остава числото 14. Понеже вече съдържа само 6 протона, престава да бъде азот и се превръща във въглерод. Изместеният протон се освобождава в атмосферата. Ще го отбележа с различен цвят. Освен това протонът, който си кръжи, може да бъде наречен водород 1 и по някакъв начин да се сдобие с електрон. Ако не успее, си остава водороден йон или водородно ядро. Този процес, както казах, не се случва постоянно, а от време на време. Ето как се образува въглерод-14. Ето това тук е въглерод-14, или радиовъглерод. Накратко, можеш да го разглеждаш като азот-14, при когото един от протоните е заместен с един неутрон. Интересното е, че този процес се случва непрекъснато в атмосферата – не в големи, но все пак в достатъчни количества. Ето сега ще го запиша. Протича постоянно. Да погледнем периодичната система. Въглеродът по дефиниция съдържа 6 протона, но най-разпространеният изотоп на въглерода е въглерод-12. По-голямата част от въглерода в тялото ти е въглерод-12. В същото време обаче се образува и малка част въглерод-14, който след това се свързва с кислорода и образува въглероден диоксид. Въглеродният диоксид се поема от атмосферата и от океаните. Може да бъде фиксиран от растенията. Въглеродната фиксация е процес, при който най-често светлинната енергия на Слънцето превръща газообразния въглерод в органична материя. И така радиовъглеродът, или въглерод-14, се образува постоянно. Стига до океаните – вече е във въздуха, като добре се е смесил с останалите газове, които се съдържат в атмосферата. След това се поема от растенията. Те всъщност се изграждат, като фиксират въглерод, който от газообразно преминава в твърдо състояние, един вид става жива материя. Добър пример за това е дървесината. Влиза в растенията, след което става част от животните, които се хранят с растения, например хората. Защо това е интересно? Преди малко обясних механизма, по който макар и въглерод-12 да е най-често срещаният изотоп, част от тялото ни, докато сме още живи, поема радиовъглерод или въглерод-14 . Любопитното е, че единствено живите организми могат да поемат радиовъглерод при консумацията на растения. След като човек почине и бъде погребан, вече няма как радиовъглеродът да влезе в тъканите му, тъй като вече не може да поема храна, съдържаща въглерод-14. Тоест след смъртта си организмите вече не могат да поемат въглерод-14. В същото време радиовъглеродът, който се съдържа в тях, когато умират, ще се разложи посредством бета-разпадане, като се върне в изначалната си форма – азот-14. Процесът е обратим. Радиовъглеродът ще се рападне на азот-14 чрез бета-разпад, при което ще се отдели един електрон и една частица антинеутрино. Няма да се спираме на процеса подробно. Но по-просто казано, един от неутроните се превръща в протон, като същевременно отделя ето тези две частици. Защо това е интересно? Преди малко споменах, че живите организми съдържат въглерод-14, който постоянно се разпада. След смъртта си организмът престава да поема хранителни вещества от растенията. Това важи и за растенията. След смъртта си те вече не могат да фотосинтезират или да извършват фиксация на въглероден диоксид. След смъртта си растенията не могат да поемат въглероден диоксид от атмосферата и да го превръщат в нова тъкан, в резултат на което радиовъглеродът в тази тъкан "замръзва" и започва да се разлага с определена скорост. Благодарение на нея можем да определим колко отдавна е настъпила смъртта на организма. Скоростта, с която се разпада радиовъглеродът, е следната – половината от него се разпада за около 5730 години. Това е периодът на полуразпад. И в други клипове е ставало дума за периода на полуразпад. Искам да подчертая, че не е ясно коя половина от радиовъглерода се е разпаднала. Тази идея се основава на теорията на вероятностите. Не може да се каже, че целият въглерод-14 в лявата половина ще се разпадне, докато този отдясно ще остане непокътнат през въпросните 5730 години. По-скоро се има предвид следното: който и да е радиовъглероден атом има 50% вероятност да се разпадне на азот-14 в период от 5730 години. Така, след като изтекат 5730 години, около половината радиовъглеродни атоми ще са се разпаднали. И какво от това? Ако приемем, че в тъканите на всички живи организми се съдържа въглерод-14 в определено съотношение, тоест той представлява част от градивните им елементи, и след това намерим, да речем, ето тази кост благодарение на археологически разкопки, и се окаже, че в тази кост се съдържа 1/2 от радиовъглерода, който обикновено се съдържа във всички живи организми. Би било логично да предположим, че тази кост е на 5730 години. Ако пък продължим да копаем и намерим още една кост, на около половин метър под първата, може да се окаже, че тази находка съдържа 1/4 от радиовъглерода, който изгражда живите организми. В такъв случай каква е нейната възраст? 1/4 от въглерод-14 означава, че е преминала през два периода на полуразпад. След един период на полуразпад би останал половината радиовъглерод, а след още един период на полуразпад – половината от него ще се превърне в азот-14. Два периода на полуразпад се равняват на два пъти по 5730 години. В такъв случай на колко години е нашата находка? На около 11 460 години.