Расчет дат радиоуглерода

редактировать

Расчет дат радиоуглерода определяет возраст объекта, содержащего органический материал используя свойства радиоуглерода (также известного как углерод-14 ), радиоактивного изотопа углерода.

Радиоуглерод методы датирования позволяют получать данные на основе соотношения различных изотопов углерода в образце, которые затем необходимо дополнительно обработать для расчета итогового «радиоуглеродного возраста». Радиоуглеродное датирование также называется углеродным датированием или углеродным датированием-14. Расчеты радиоуглеродных дат обычно производятся на основе измерений с бета-счетных устройств или с помощью масс-спектрометров с ускорителем (AMS). Есть несколько возможных источников ошибок как в методах бета-подсчета, так и в методах AMS.

Содержание
  • 1 Расчеты
    • 1.1 Стандарты
    • 1.2 Расчеты для бета-счетных устройств
    • 1.3 Расчеты AMS
    • 1.4 Ошибки и надежность
  • 2 Примечания
  • 3 Сноски
  • 4 Ссылки
Расчеты

Выполняемые вычисления зависят от измерений, выполненных на основе используемой технологии, поскольку счетчики бета измеряют радиоактивность образца, тогда как масс-спектрометры с ускорителем (AMS) определяют соотношение трех различных изотопов углерода в образце.

Стандарты

Расчеты для преобразования измеренных данных в Оценка возраста выборки требует использования нескольких стандартов. Один из них, стандарт для нормализации значений δC, - это Pee Dee Belemnite (PDB), ископаемое, которое имеет отношение. C/. C, равное 1,12372%.. Родственным стандартом является использование древесины, имеющей δC -25 ‰, в качестве материала, для которого калиброван возраст радиоуглерода. Поскольку разные материалы имеют разные значения δC, два образца разных материалов одного возраста могут иметь разные уровни радиоактивности и разные отношения. C/. C. Чтобы компенсировать это, измерения преобразуются в активность или соотношение изотопов, которое было бы измерено, если бы образец был сделан из дерева. Это возможно, потому что δC древесины известно, а δC материала образца можно измерить или взять из таблицы типичных значений. Подробности расчетов для бета-подсчета и AMS приведены ниже.

Еще одним стандартом является использование 1950 года как «настоящего» в том смысле, что расчет, который показывает, что вероятный возраст образца составляет 500 лет «раньше». настоящее "означает, что это, вероятно, произошло примерно с 1450 года. Это соглашение необходимо для того, чтобы опубликованные результаты радиоуглеродного анализа были сопоставимы друг с другом; без этого соглашения данный результат по радиоуглеродному анализу будет бесполезен, если год его измерения не известен - например, возраст 500 лет, опубликованный в 2010 году, будет означать вероятную дату выборки 1510 года. Для того чтобы измерения можно было преобразовать в базовый уровень 1950 года, для радиоактивности древесины в 1950 году определен стандартный уровень активности. Из-за эффекта ископаемого топлива это фактически не уровень активности древесины из 1950; активность была бы несколько ниже. Эффект ископаемого топлива был исключен из стандартного значения путем измерения древесины с 1890 года и использования уравнений радиоактивного распада для определения активности в год роста. Результирующее стандартное значение A abs составляет 226 беккерелей на килограмм углерода.

И бета-подсчет, и AMS измеряют стандартные образцы в рамках своей методологии. Эти образцы содержат углерод известной активности. Первый стандарт, щавелевая кислота SRM 4990B, также называемый HOxI, представлял собой партию 1000 фунтов щавелевой кислоты, созданную в 1955 году Национальным институтом стандартов и технологий (НИСТ). Поскольку он был создан после начала атомных испытаний, он содержит углерод бомбы, поэтому измеренная активность выше желаемого стандарта. Это решается путем определения стандарта как 0,95-кратного активности HOxI.

Весь этот первый стандарт уже давно потреблен, и были созданы более поздние стандарты, каждый из которых имеет заданное отношение к желаемому. стандартная деятельность. Вторичный стандарт, щавелевая кислота SRM 4990C, также известная как HOxII, 1000 фунтов которого была приготовлена ​​NIST в 1977 году из урожая французской свеклы, в настоящее время широко используется.

Расчеты для бета-счетных устройств

Чтобы определить возраст образца, активность которого была измерена с помощью бета подсчета, необходимо найти отношение его активности к активности стандарта. Уравнение:

A s = A std (M s - M b M std - M b) {\ displaystyle A_ {s} = A_ {std} \ left ({\ frac {M_ {s} -M_ {b) }} {M_ {std} -M_ {b}}} \ right)}{\ displaystyle A_ {s} = A_ {std} \ left ({\ frac {M_ {s} -M_ {b}} {M_ {std} -M_ {b}}) } \ right)}

дает требуемое соотношение, где A s - истинная активность образца, A std - истинная активность стандарта, M s - измеренная активность образца, M std - измеренная активность стандарта, и M b - измеренная активность холостого опыта.

Также необходимо внести поправку на фракционирование. Поправка на фракционирование преобразует отношение. C/. C для образца в соотношение, которое оно имело бы, если бы материал был деревом, который имеет значение δC, равное -25 ‰. Это необходимо, потому что определение возраста образца требует сравнения количества. C в образце с тем, что он имел бы, если бы он вновь образовался из биосферы. Стандарт, используемый для современного углерода, - это древесина с базовой датой 1950 года.

Поправка на фракционирование изменяет активность, измеренную в образце, на активность, которую он имел бы, если бы это была древесина того же возраста, что и образец. Расчет требует определения коэффициента фракционирования. C, который определяется для любого материала образца как

Frac 13 12 (образец) = (C 13 C 12) образец древесины (C 13 C 12) {\ displaystyle { \ ce {Frac}} _ {{\ ce {13/12 (образец)}}} = {\ frac {\ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} {{\ ce { ^ {12} C}}}} \ right) _ {{\ ce {wood}}}} {\ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} {{\ ce {^ { 12} C}}}} \ right) _ {{\ ce {sample}}}}}}{\ displaystyle {\ ce {Frac}} _ {{\ ce {13/12 (sample)}}} = {\ frac {\ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} {{\ ce {^ {12} C}}}} \ right) _ {{\ ce {wood}}}} {\ left ({\ frac {{ \ ce {^ {13} C}}} {{\ ce {^ {12} C}}}} \ right) _ {{\ ce {образец}}}}}}

Коэффициент фракционирования. C, Frac 14/12, приблизительно равен квадрату это с точностью до 1 ‰:

Frac 14/12 (образец) = (Frac 13/12 (образец)) 2 {\ displaystyle {\ text {Frac}} _ {\ text {14/12 (образец)}} = ({\ text {Frac}} _ {\ text {13/12 (sample)}}) ^ {2}}{\ displaystyle {\ text {Frac}} _ {\ text {14/12 (образец)}} = ({\ text {Frac}} _ {\ text {13/12 (sample)}}) ^ {2 }}

Умножение измеренной активности для образца на. коэффициент фракционирования C преобразует это к действию, которое было бы, если бы образец был деревянным:

A sn = A s Frac 14/12 (s) {\ displaystyle A_ {sn} = A_ {s} {\ text {Frac}} _ {14/12 (s)}}{\ displaystyle A_ {sn} = A_ {s} {\ текст {Frac}} _ {14/12 (s)}}

где A sn - нормализованная активность для образца, а Frac 14/12 (s) - коэффициент фракционирования для образца. C.

Уравнение для δ13C, приведенное ранее, может быть преобразовано в

(C 13 C 12) sample = (1 + δ 13 C 1000) (C 13 C 12) PDB {\ displaystyle \ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} {{\ ce {^ {12} C}}}} \ right) _ {{\ ce { образец}}} = \ left (1 + {\ frac {{\ ce {\ delta ^ {13} C}}} {1000}} \ right) \ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} {{\ ce {^ {12} C}}}} \ right) _ {{\ ce {PDB}}}}{\ displaystyle \ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} { {\ ce {^ {12} C}}}} \ right) _ {{\ ce {sample}}} = \ left (1 + {\ frac {{\ ce {\ delta ^ {13} C}}} {1000}} \ right) \ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} {{\ ce {^ {12} C}}}} \ right) _ {{\ ce {PDB }}}}

Подставляя это в коэффициент фракционирования. C, а также подставляя Значение δ13C для древесины -25 ‰ дает следующее выражение:

A sn = A s ((1 - 25 1000) (C 13 C 12) PDB (1 + δ 13 C 1000) (C 13 C 12) PDB) 2 {\ displaystyle A_ {sn} = A_ {s} \ left ({\ frac {\ left (1 - {\ frac {25} {1000}} \ right) \ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} {{\ ce {^ {12} C}}}} \ right) _ {{\ ce {PDB}}}} {\ left (1 + {\ frac {{\ ce {\ delta ^ {13} C}}} {1000}} \ right) \ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} {{\ ce {^ {12} C}} }} \ right) _ {{\ ce {PDB}}}} \ right) ^ {2}}{\ displaystyle A_ {sn} = A_ {s} \ left ({\ frac {\ left (1- { \ frac {25} {1000}} \ right) \ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} {{\ ce {^ {12} C}}}} \ right) _ { {\ ce {PDB}}}} {\ left (1 + {\ frac {{\ ce {\ delta ^ {13} C}}} {1000}} \ right) \ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} {{\ ce {^ {12} C}}}} \ right) _ {{\ ce {PDB}}}}} \ right) ^ {2}}

где значение δ13C, остающееся в уравнении, является значением для самого образца. Это можно измерить напрямую или просто просмотреть в таблице характеристических значений для типа материала образца - этот последний подход приводит к повышенной неопределенности результата, поскольку существует диапазон возможных значений δ13C для каждого возможного материала образца. Отмена коэффициента PDB. C/. C уменьшает это до:

A sn = A s ((1 - 25 1000) (1 + δ 13 C 1000)) 2 {\ displaystyle A_ {sn} = A_ {s} \ left ({\ frac {\ left (1 - {\ frac {25} {1000}} \ right)} {\ left (1 + {\ frac {{\ ce {\ delta ^ {13} C}}} { 1000}} \ right)}} \ right) ^ {2}}{\ displaystyle A_ {sn} = A_ {s} \ left ({\ frac {\ left (1 - {\ frac {25} {1000}} \ right)} {\ left (1 + {\ frac {{\ ce {\ delta ^ {13} C}}} {1000}} \ right)}} \ right) ^ {2}}

Расчеты AMS

Результаты тестирования AMS представлены в виде соотношений. C,. C и. С. Эти соотношения используются для вычисления F m, «фракции современных», определяемой как

F m = R norm R modern {\ displaystyle F_ {m} = {\ frac {R_ {norm}} {R_ {modern}}}}{\ displaystyle F_ { m} = {\ frac {R_ {norm}} {R_ {modern}}}}

где R norm - коэффициент. C/. C для образца после поправки на фракционирование, а R modern - стандарт. C/. Коэффициент C для современного углерода.

Расчет начинается с вычитания коэффициента, измеренного для машинной заготовки, из других измерений образца. То есть:

R s ′ = R s - R mb {\ displaystyle R '_ {s} = R_ {s} -R_ {mb}}{\displaystyle R'_{s}=R_{s}-R_{mb}}
R std ′ = R std - R mb {\ displaystyle R '_ {std} = R_ {std} -R_ {mb}}{\displaystyle R'_{std}=R_{std}-R_{mb}}
R pb' = R pb - R mb {\ displaystyle R '_ {pb} = R_ {pb} -R_ {mb}}{\displaystyle R'_{pb}=R_{pb}-R_{mb}}

, где R s - измеренное отношение C образца. C/. ; R std - измеренное соотношение для стандарта; R pb - это измеренное соотношение для технологической заготовки, а R mb - это измеренное соотношение для машинной заготовки. Следующий шаг для корректировки фракционирования может быть выполнен с использованием отношения. C/. C или. C/. C, а также зависит от того, какой из двух возможных стандартов был измерен: HOxI или HoxII. R 'std тогда R' HOxI или R 'HOxII, в зависимости от того, какой стандарт использовался. Четыре возможных уравнения следующие. Во-первых, если коэффициент. C/. C используется для выполнения коррекции фракционирования, применяются следующие два уравнения, по одному для каждого стандарта.

R HOxI, - 19 = R HoxI ′ (1 + - 19 1000 1 + δ 13 C HoXI 1000) 2 {\ displaystyle R _ {\ ce {HOxI, -19}}} = R '_ {{\ ce {HoxI}}} \ left ({\ frac {1 + {\ frac {-19} {1000}}} {1 + {\ frac {{\ ce {\ delta ^ {13} C_ {HoXI}}}} {1000}}}} \ right) ^ {2}}{\displaystyle R_{{\ce {HOxI,-19}}}=R'_{{\ce {HoxI}}}\left({\frac {1+{\frac {-19}{1000}}}{1+{\frac {{\ce {\delta^{13}C_{HoXI}}}}{1000}}}}\right)^{2}}
R HOxII, - 25 = R HoxII ′ (1 + - 25 1000 1 + δ 13 C HoXII 1000) 2 {\ displaystyle R _ {{\ ce {HOxII, -25}}} = R '_ {{\ ce {HoxII}}} \ слева ({\ frac {1 + {\ frac {-25} {1000}}} {1 + {\ frac {{\ ce {\ delta ^ {13} C_ {HoXII}}}}} {1000}}}} \ right) ^ {2}}{\displaystyle R_{{\ce {HOxII,-25}}}=R'_{{\ce {HoxII}}}\left({\frac {1+{\frac {-25}{1000}}}{1+{\frac {{\ce {\delta^{13}C_{HoXII}}}}{1000}}}}\right)^{2}}

Если вместо этого используется соотношение. C/. C, то уравнения для каждого стандарта следующие:

R HOxI, - 19 = R HoxI ′ (1 + - 19 1000 1 + δ 13 C HoXI 1000) {\ displaystyle R _ {\ ce {HOxI, -19}}} = R '_ {{\ ce {HoxI}}} \ left ({\ frac {1 + {\ frac {-19 } {1000}}} {1 + {\ frac {{\ ce {\ delta ^ {13} C_ {HoXI}}} {1000}}}} \ right)}{\displaystyle R_{{\ce {HOxI,-19}}}=R'_{{\ce {HoxI}}}\left({\frac {1+{\frac {-19}{1000}}}{1+{\frac {{\ce {\delta^{13}C_{HoXI}}}}{1000}}}}\right)}
R HOxII, - 25 = R HoxII ′ (1 + - 25 1000 1 + δ 13 C HoXII 1000) {\ displaystyle R _ {{\ ce {HOxII, -25}}} = R '_ {{\ ce {Ho xII}}} \ left ({\ frac {1 + {\ frac {-25} {1000}}} {1 + {\ frac {{\ ce {\ delta ^ {13} C_ {HoXII}}}}} { 1000}}}} \ right)}{\displaystyle R_{{\ce {HOxII,-25}}}=R'_{{\ce {HoxII}}}\left({\frac {1+{\frac {-25}{1000}}}{1+{\frac {{\ce {\delta^{13}C_{HoXII}}}}{1000}}}}\right)}

Значения δ13C в уравнениях измеряют фракционирование в стандартах как CO. 2до их преобразования в графит для использования в качестве целевого значения в спектрометр. Это предполагает, что преобразование в графит не приводит к значительному дополнительному фракционированию.

После того, как соответствующее значение, указанное выше, было рассчитано, можно определить R современный ; это

R modern = 0,95 R HOxI, -19 = 0,7459 R HOxII, -25 {\ displaystyle R_ {modern} = 0,95R _ {\ text {HOxI, -19}} =. 7459R _ {\ text {HOxII, -25}}}{\ displaystyle R_ {современный} = 0,95R _ {\ text {HOxI, -19}} =. 7459R _ {\ text {HOxII, -25} }}

Значения 0,95 и 0,7459 являются частью определения двух стандартов; они преобразуют отношение. C/. C в стандартах к соотношению, которое современный углерод имел бы в 1950 году, если бы не было эффекта ископаемого топлива.

Поскольку общепринято измерять стандарты повторно во время AMS прогона, чередуя стандартную мишень с измеряемым образцом, для стандарта доступны несколько измерений, и эти измерения предоставляют несколько вариантов при вычислении R modern. В разных лабораториях эти данные используются по-разному; некоторые просто усредняют значения, в то время как другие рассматривают измерения, сделанные на стандартной мишени, как серию, и интерполируют показания, которые были бы измерены во время анализа образца, если бы вместо этого был измерен стандарт в то время.

Далее рассчитывается нескорректированная фракция модерн; "нескорректированный" означает, что это промежуточное значение не включает поправку на фракционирование.

F muc = R s ′ R modern {\ displaystyle Fm_ {uc} = {\ frac {R '_ {s}} {R_ {modern} }}}{\displaystyle Fm_{uc}={\frac {R'_{s}}{R_{modern}}}}

Теперь можно определить измеренную фракцию modern путем поправки на фракционирование. Как указано выше, существует два уравнения в зависимости от того, используется ли соотношение. C/. C или. C/. C. Если используется коэффициент. C/. C:

F mms = F muc (1 + - 25 1000 1 + δ 13 C s 1000) 2 {\ displaystyle Fm_ {ms} = Fm_ {uc} \ left ({ \ frac {1 + {\ frac {-25} {1000}}} {1 + {\ frac {{\ ce {\ delta ^ {13} C}} _ ​​{s}} {1000}}}} \ right) ^ {2}}{\ displaystyle Fm_ {ms} = Fm_ {uc} \ left ({\ frac {1 + {\ frac {-25} {1000}}} {1 + {\ frac {{\ ce {\ delta ^ {13} C}} _ ​​{s}} {1000}}}} \ right) ^ {2}}

Если используется коэффициент. C/. C:

F mms = F muc (1 + - 25 1000 1 + δ 13 C s 1000) {\ displaystyle Fm_ {ms} = Fm_ {uc} \ left ({\ frac {1 + {\ frac {-25} {1000}}} {1 + {\ frac {{\ ce {\ delta ^ {13} C}} _ ​​{s}}) {1000}}}} \ right)}{\ displaystyle Fm_ {ms} = Fm_ {uc} \ left ({\ frac {1 + {\ frac {-25} {1000}}} {1 + {\ frac {{\ ce {\ delta ^ {13} C}} _ ​​{s}} { 1000}}}} \ right)}

Значение δ13C s взято из самого образца, измерено на CO. 2, приготовленном при преобразовании образца в графит.

Окончательный Шаг состоит в том, чтобы отрегулировать Fm ms для измеренной доли modern в технологической заготовке, Fm pb, которая рассчитывается, как указано выше, для образца. Один из подходов состоит в определении массы измеренного углерода, C ms, вместе с C pb, массой технологической заготовки, и C s, масса образца. Последняя дробная часть современного, Fm s, тогда равна

F ms = F mms C ms - F mpb C pb C s {\ displaystyle Fm_ {s} = {\ frac {Fm_ {ms} {\ ce {C}} _ ​​{ms} -Fm_ {pb} {\ ce {C}} _ ​​{pb}} {{\ ce {C}} _ ​​{s}}}}{\ displaystyle Fm_ {s} = {\ frac {Fm_ {ms} {\ ce {C}} _ ​​{ms} -Fm_ {pb} {\ ce {C}} _ ​​{pb}} {{\ ce {C}} _ ​​{s}}}}

Затем дробь модерн преобразуется возрасту в «радиоуглеродных годах», что означает, что в расчетах используется период полураспада Либби , равный 5 568 лет, а не более точное современное значение 5 730 лет, и что никакая калибровка не проводилась done:

Age = - 8033 ln ⁡ (F m) {\ displaystyle {\ text {Age}} = - 8033 \ ln (Fm)}{\ displaystyle {\ text {Age}} = - 8033 \ ln (Fm)}

Ошибки и надежность

Есть несколько возможных источники ошибок как в методах бета-подсчета, так и в методах AMS, хотя лаборатории различаются по тому, как они сообщают об ошибках. Все лаборатории сообщают о подсчете статистики - то есть статистики, показывающей возможные ошибки при подсчете событий распада или количества атомов - с погрешностью 1σ (т. Е. 68 % уверенности в том, что истинное значение находится в заданном диапазоне). Эти ошибки можно уменьшить, увеличив продолжительность счета: например, при тестировании современного образца бензола будет обнаружено около восьми событий распада в минуту на грамм бензола, а 250 минут счета будет достаточно, чтобы дать ошибку ± 80 лет, с достоверностью 68%. Если образец бензола содержит углерод возрастом около 5730 лет (период полураспада. C), то количество распадов в минуту будет вдвое меньше, но такой же срок погрешности в 80 лет можно получить, удвоив время счета до 500 минут. Обратите внимание, что член ошибки не является симметричным, хотя для последних выборок эффект незначителен; для образца с предполагаемым возрастом 30 600 лет член ошибки может составлять от +1600 до -1300.

Чтобы быть полностью точным, термин ошибки, указанный для указанного возраста радиоуглерода, должен включать ошибки подсчета не только из образца, но также из подсчета событий распада для эталонного образца и для холостых проб. Он также должен включать ошибки по каждому измерению, выполненному в рамках метода датирования, включая, например, параметр δ13C для образца или любые лабораторные условия, которые корректируются для таких как температура или напряжение. Затем эти ошибки должны быть математически объединены, чтобы дать общий термин для ошибки в сообщаемом возрасте, но на практике лаборатории различаются не только в терминах, которые они предпочитают включать в свои расчеты ошибок, но также в как они сочетают ошибки. Полученные в результате оценки 1σ, как правило, недооценивают истинную ошибку, и даже было высказано предположение, что удвоение данного члена ошибки 1σ приводит к более точному значению.

Обычное представление радиоуглеродной даты как конкретная дата плюс или минус условие ошибки скрывает тот факт, что истинный возраст измеряемого объекта может выходить за пределы указанного диапазона дат. В 1970 году радиоуглеродная лаборатория Британского музея проводила еженедельные измерения одного и того же образца в течение шести месяцев. Результаты сильно различались (хотя и соответствовали нормальному распределению ошибок в измерениях) и включали несколько диапазонов дат (с достоверностью 1σ), которые не пересекались друг с другом. Экстремальные измерения включали одно с максимальным возрастом менее 4400 лет и другое с минимальным возрастом более 4500 лет.

Лаборатории также могут иметь систематические ошибки, вызванные недостатками их методик. Например, если 1% бензола в современном эталонном образце дать испариться, сцинтилляционный счет даст возраст радиоуглерода, который является слишком молодым примерно на 80 лет. Лаборатории работают над обнаружением этих ошибок как путем тестирования своих собственных процедур, так и путем периодических межлабораторных сравнений множества различных образцов; любые лаборатории, результаты которых слишком сильно отличаются от общепринятого возраста радиоуглерода, могут иметь систематические ошибки. Даже если систематические ошибки не исправлены, лаборатория может оценить величину эффекта и включить ее в опубликованные оценки погрешности своих результатов.

Предел измеримости составляет примерно восемь периодов полураспада, или примерно 45000 лет. Образцы старше этого обычно считаются имеющими бесконечный возраст. Были разработаны некоторые методы, позволяющие расширить диапазон датирования еще дальше в прошлое, включая изотопное обогащение или большие образцы и очень высокоточные счетчики. Эти методы в некоторых случаях увеличили максимальный возраст, который может быть указан для выборки, до 60 000 и даже 75 000 лет.

Примечания
Сноски
Ссылки
Последняя правка сделана 2021-05-13 13:59:29
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте