Физические основы радиоуглеродного метода

Космические лучи, проходя через атмосферу Земли, порождают нейтроны. Плотность потока нейтронов изменяется с высотой в атмосфере. Результаты измерения плотности этого потока с помощью шаров-зондов изображены на рис. 56, см. кривую А. Измерения производились в штате Нью-Джерси США и относятся к периоду до 1955 года. Максимальное количество нейтронов находится на высоте примерно 40 тысяч футов (12 километров). Вблизи же поверхности Земли плотность потока нейтронов уменьшается до нуля. Отсюда можно сделать два вывода:

1) Нейтроны возникают в атмосфере, в области стратосферы, то есть представляют собой вторичные частицы космического излучения, возникающие при прохождении первичных космических лучей через атмосферу.

2) Все эти нейтроны быстро вступают в ядерные реакции, так что до поверхности Земли доходит лишь ничтожное их количество.

На рис. 56 в виде кривой В приведена зависимость потока нейтронов на высоте 30 тысяч футов от геомагнитной широты [986], с. 139. Измерения проводились до 1955 года. Выявляющаяся на рис. 56 (кривая В) зависимость плотности потока нейтронов (незаряженных частиц) от геомагнитной широты вставляет думать, что первичные частицы космического излучения, породившие нейтроны, являются частицами заряженными, отклоняемыми магнитным полем Земли. Существенно, что плотность потока нейтронов на широте 50 градусов — широта Парижа, Праги, Киева, Харькова — В ТРИ РАЗА БОЛЬШЕ плотности этого потока на широте 20–30 градусов — берег Красного моря, северный берег Африки.

Рис. 56. Плотность потока нейтронов в атмосфере как функция высоты. Взято из [986], с. 138

Число нейтронов в минуту, возникающих в земной атмосфере, равно приблизительно 6х1020 нейтронов/мин. с оценкой плюс-минус 25 процентов [986], с. 139. Таким образа, каждую минуту на Земле возникает от 4,5 х 1020 до 7,5 х 1020 нейтронов. Эти нейтроны сталкиваются с атомами атмосферного азота, кислорода и вступают с ними в ядерную реакцию. Считается, что вероятность взаимодействия нейтрона с атомом азота в тысячи раз больше, чем с атомом кислорода [986], с. 39–140. При малых энергиях нейтронов («тепловые нейтроны») превалирует реакция с образованием радиоактивного углерода C14:

N14 + n —> C14 + H1 (1)

Сечение этой реакции составляет около 1,7 х 10–24. См. [986], с. 140. Быстрые нейтроны могут вызывать еще два типа реакций:

N14 + n —> B11 + Не4 (2)

N14 + n —> C12 + H3 (3)

Однако по сравнению с сечением реакции (1) их сечения очень малы. А при реакции (3) образуется тритий Н3, который распадается с периодом полураспада 12,5 года, превращаясь в стабильный изотоп гелия Не3. Считается, что скорость образования трития Н3 составляется 1 % от скорости образования C14.

М. Дж. Эйткин в своей монографии «Физика и археология» пишет: «Сравнительно небольшое число нейтронов достигает поверхности Земли… и РЕЗОННО ПРЕДПОЛОЖИТЬ (? — Авт.), что каждый нейтрон, рождаемый космическими лучами, создает атом радиоуглерода, следовательно, скорость образования нейтронов равна скорости образования радиоуглерода. Это составляет примерно 7,5 кг радиоуглерода в год» [986], с 104. Радиоуглерод С14 распадается по формуле

С14 —> N14 + (b)-(4)

Период полураспада равен примерно 5600 лет, так что 1 % радиоуглерода распадается примерно за 80 лет. Отсюда легко определить, что равновесное количество С14 на Земле составляет примерно 60 тонн, с ошибкой плюс-минус 25 %, то есть от 45 до 75 тонн.

Образовавшийся радиоуглерод перемешивается в атмосфере, поглощается океанами и усваивается организмами. Сфера распространения углерода называется обменным углеродным резервуаром. Он состоит из атмосферы, биосферы, поверхностных и глубинных океанических вод, рис. 57.

Рис. 57. Структура обменного углеродного резервуара. Взято из [986], с. 30

Числа на этом рисунке обозначают количество углерода в той или иной части обменного резервуара. Содержание углерода в атмосфере принято при этом за 1. Выход углерода из обменного резервуара в результате отложения осадков на дно океана на рис. 57 не отражен. «Под радиоуглеродным возрастом подразумевается время, прошедшее с момента выхода объекта из обменного фонда до момента измерения С14 в образце» [110], с. 32.