История ядерных испытаний по годичным кольцам

Установить возраст археологических находок, помочь криминалистам в расследовании, подтвердить подлинность коллекционного вина — ​это далеко не все возможности радиоуглеродной датировки методом ускорительной масс-спектрометрии. Так, новосибирские ученые и атомщики изучают историю ядерных испытаний и воздействие реакторов на окружающую среду.

Рассказывает радиоуглерод

Радиоактивный изотоп углерода 14С образуется в верхних слоях атмосферы. Все живые организмы участвуют в углеродном обмене. После гибели организма обмен прекращается и количество 14С постепенно уменьшается за счет радиоактивного распада. Период полураспада 14С — ​5,73 тыс. лет. Посчитав количество изотопа в образце, можно узнать его возраст. Самый распространенный способ измерения — ​жидкостным сцинтилляционным спектрометром, который регистрирует бета-частицы, вылетающие из атомов при радиоактивном распаде. Но, во‑первых, точность исследования не всегда высокая. Во-вторых, требуется большой фрагмент образца: в исследовании окаменелостей это не проблема, но от картины или костяной иглы кусок не отрежешь.

Есть ускорительный масс-спектрометр (УМС) — ​он считает атомы поштучно. Прибор обладает высокой чувствительностью, ему требуется всего 1–2 мг образца.

В мире около 100 ускорительных масс-спектрометров, два из них — ​в России. Один сделали ученые из Института ядерной физики СО РАН. Второй, MICADAS швейцарского производства, был куплен для Новосибирского государственного университета. Сейчас оба спектрометра находятся в центре коллективного пользования — ​радиоуглеродной лаборатории AMS Golden Valley, и работать с ними могут не только российские, но и зарубежные ученые.

Годичные кольца помнят все

Содержание углерода‑14 в атмосфере меняется, например, в результате ядерных взрывов. В природе есть радиоуглеродные «летописцы» — ​это деревья. «Мы взяли керн 113-летней сосны, разделили на годичные кольца, выделили из них целлюлозу и преобразовали в графит. Затем провели радиоуглеродный анализ графитов на УМС и построили график содержания 14С в кольцах деревьев по годам», — ​рассказывает старший научный сотрудник лаборатории радиоуглеродных методов анализа физического факультета НГУ Екатерина Пархомчук. Результат полностью совпал с историческими реалиями: к началу 1960-х, времени активной фазы ядерных испытаний, зафиксирован пик содержания 14С (концентрация практически удвоилась), в 1980-х заметен спад. Похожие опыты проводили ученые в Европе и США. Их данные те же — ​газы и водяной пар в атмосферном воздухе Земли перемешиваются равномерно.

Новосибирские ученые вместе с атомщиками нашли для этого свойства деревьев еще одно применение. «В Институте реакторных материалов в Заречном Свердловской области работает исследовательский водо-водяной реактор «ИВВ‑2М». При его эксплуатации в атмосферу поступает незначительное количество углерода‑14, который включен в перечень основных дозообразующих нуклидов на всех АЭС России, — ​рассказывает младший научный сотрудник радиационной лаборатории Института промышленной экологии УрО РАН Евгений Назаров. — ​Мы с коллегами решили выяснить, какое количество 14С было выброшено в атмосферу за последние 30 лет эксплуатации реактора». Вблизи института ученые определили критическую точку с наибольшей ожидаемой объемной активностью 14С в объектах окружающей среды. На этом участке выберут дерево, и его годичные кольца будут исследовать на ускорительном масс-спектрометре. «Мы сможем, во‑первых, ретроспективно оценить выбросы 14С и, во‑вторых, использовать эти данные для построения модели миграции 14С в окружающей среде. Такие исследования можно будет проводить на всех объектах использования атомной энергии, в выбросах которых присутствует радиоуглерод», — ​комментирует Евгений Назаров.

Уточните возраст, пожалуйста

Ускорительный масс-спектрометр нужен не только атомщикам. Ученые из новосибирской радиоуглеродной лаборатории помогают и археологам, и следователям. «Не так давно к нам обратился Следственный комитет Пензы, — ​рассказывает Екатерина Пархомчук. — ​На местном кладбище были обнаружены останки человека. Нужно было определить их возраст, чтобы понять, заводить ли уголовное дело. Мы выяснили, что останкам не меньше 3 тыс. лет. Уголовное дело СК заводить не стал, находку передал археологам. Или еще один случай: археологи из Казахстана попросили проверить подлинность кожаного манускрипта. Предполагалось, что это уникальная вещь, самый ранний образец письменности в стране. Манускрипт оказался подделкой».

Радиоуглеродный метод помогает осветить и другую сторону истории. В Новосибирске при сносе здания, где до начала 1960-х размещалась следственно-пересыльная тюрьма, было вскрыто массовое захоронение. С помощью масс-спектрометрии выяснилось, что смерть людей, чьи останки были обнаружены, наступила не позднее 1955 года — ​это жертвы расстрелов.

Возможности ускорительной масс-спектрометрии широкие. Например, сотрудники AMS Golden Valley разработали дыхательный тест на бактерию Helicobacter pylori, инфицирование которой связывают с серьезными заболеваниями желудка и двенадцатиперстной кишки. Пациент глотает драже с мочевиной, меченной радиоуглеродом, и дышит через трубку в анализатор. Еще новосибирские ученые могут помочь обладателям коллекционных вин и коньяков точно установить дату их изготовления.