Карбон - унікальний хімічний елемент. Мабуть жоден інший із Періодичної таблиці елемент не наділений такими неймовірними можливостями до перевтілення і здатністю вибудовувати із іншими елементами сполуки, кількість як з можна виміряти сотнями тисяч. Завдяки одному лише Карбону (С, вуглець) сформувалася одна із найважливіших галузей хімії - органічна хімія, яка вивчає численні його сполуки, за винятком карбонатної кислоти та її солей. Однак Карбон унікальний ще й тим, що деякі його ізотопи навіть допомагають із точністю визначати вік речей органічного походження, у яких завжди був і залишається вуглець (дерево, тканина, залишки тварин, шкіра, кістки, тощо). Віднайдений метод такого датування здійснив справжню революцію в науці і породив чимало дискусій та суперечок.

     У 1955 році в Женеві (Швейцарія) відбулася міжнародна конференція з мирного використання атомної енергії. На ній із доповіддю виступав відомий американський фізик Вілларду Франку Ліббі (1908-1980), виступ якого розпочався досить незвично. Вийшовши на трибуну з великою валізою, він вийняв із неї старе взуття, і оголосив що його носив вождь інків 800 років тому. Потім він дістав із валізи уламок весла, і сказав що це весло виготовлене в Давньому Єгипті 3000 років тому. Яким чином вдалося це визначити? Теоретичні основи радіовуглецевого методу датування досить прості. Проте для їх практичного використання довелося провести дуже велику роботу, яку не можна вважати закінченою навіть зараз, як це було видно з наведених прикладів. Для початку потрібно встановити чи насправді вміст ¹⁴С у звичайному Карбоні однаковий для всіх живих організмів. Із цією метою досліджували зразки деревини зі свіжозрубаних дерев у різних місцях земної кулі. Як з'ясувалося, вміст ¹⁴С у них однаковий: у кожному грамі Карбону, виділеного із зовнішнього шару деревини цих дерев, протягом однієї хвилини розпадається приблизно 16 атомів ¹⁴С, і цей розпад супроводжується слабким радіоактивним випромінюванням. Але його інтенсивність настільки мала, що частинки які утворюються внаслідок розпаду, затримуються алюмінієвою фольгою завтовшки лише 0.1 мм. Тому для вимірювання слабкої радіоактивності газ, що містить ¹⁴С (на прикладі вуглекислого газу або метану) запускають безпосередньо в середину вимірювального приладу - лічильника Гейгера, або використовують чутливі сцинтиляційні лічильники, у яких число розпадів фіксується за числом світлових спалахів (осциляцій) у спеціальній речовині.

     Вимірювання радіоактивності - це дуже важливий і чутливий метод визначення кількості речовини. Наприклад якщо штучно у ядерному реакторі добути вуглекислий газ у якому всі атоми Карбону - це атоми ¹⁴С, то навіть після розбавлення в кілька декілька мільйонів разів Нітрогену, у газі все одно можна буде виявити радіоактивність. Вік зразка встановлюють наступним чином: беруть певну його частину, спалюють і вимірюють радіоактивність вуглекислого газу що утворився. Якщо у цьому газі з розрахунку на 1 г Карбону відбувається за одну хвилину 8 розпадів (кожен із них реєструється лічильником), то такому зразку 5730 років, а якщо 4 розпади то 11460 років. За спеціальною формулою можна обчислити вік зразка за будь-якої його активності, і не важливо, чи буде число розпадів за хвилину цілим чи дробовим, адже важливе інше - визначити цю активність якомога точніше. Саме тут і полягає одна із головних проблем застосування радіо-вуглецевого методу датування. Оскільки активністю зразків дуже мала, і значно менша від фонового випромінювання, потрібний спеціальний захист від зовнішньої радіації, і дуже тривале вимірювання (іноді протягом багатьох діб). Ще порівняно нещодавно для надійного аналізу зразка, вік якого орієнтовно обчислюється декількома тисячоліттями, потрібно було не менше ніж 20 грамів Карбону. Якщо це були вуглини із вогнища давніх людей, або старі дерев'яні предмети, то тут проблем зазвичай не виникало, адже Карбону для досліджень було достатньо. Наприклад у Північній Америці під час розкопок знайшли рештки повалених дерев, усі верхівки яких були спрямовані в один бік. Це явище здавалося б мало залишитися не з'ясованим, адже кому, а головне навіщо знадобилися валити скільки дерев, та ще й усі в один бік. Радіо-вуглецевий метод аналізу деревини цих дерев показав що вони росли приблизно 11 тисяч років тому саме в той час, коли на землі був останній льодовиковий період. Стало зрозуміло що дерева повалив льодовик, який повільно рухався. Доречі уточнення часу останнього льодовикового періоду на землі вважається головним результатом досліджень за методом Ліббі.

     Але якщо зразок - це унікальний виріб наприклад, стара картина, то звісно нікому не спало б на думку спалити її значну частину щоб установити вік, хоча теоретично це можливо, оскільки картини писали на полотні, а полотно зроблене з рослинних волокон, де присутньою багато ¹⁴С. Труднощі виникали в тих випадках, коли вік зразка перевищував кілька десятків тисяч років. У них так мало залишилося атомів ¹⁴С, що їх важко з достатньою точністю визначити навіть за допомогою найкращих лічильників. Проблеми виникають із надто молодими зразками, вміст радіо-вуглецю у яких мало відрізняється від складу сучасних зразків.

     У 1970-х роках відбулася розробка нового методу визначення радіо-вуглецю із використанням прискорювача йонів яка дозволила збільшити чутливість вимірювань більше ніж у тисячу разів. Цей метод ґрунтується на перетворенні атомів Карбону-14 на пучок юні в який за допомогою електричних і магнітних полів відокремлюється від решти атомів що дозволяє з високою точністю вимірювати число атомів ¹⁴С. Тепер замість десятків грамів для аналізу буде достатньо усього декількох міліграмів, а іноді й частки міліграма зразка.

     Під час розробки радіо-вуглецевого методу вченим довелося зіштовхнувся з іншими труднощами, часто досить несподіваними. Так, для перевірки й коригування методу було проведено аналіз річних кілець деяких дерев, вік яких обчислюється тисячами років (остиста сосна, секвоя, деякі баобаби). Між річними кільцями обмін вуглецем практично відсутній, тому можна було чекати закономірного зниження вмісту ¹⁴С від краю стовбура до його центру у точній відповідності до формули радіоактивного розпаду. Проте з'ясувалося, що кількість радіо-вуглецю в атмосфері не завжди була такою самою, як зараз. Тоді довелося вводити спеціальні поправки. Масові випробування ядерної зброї в 50-х та 60-х роках ХХ століття також змінили вміст ¹⁴С у повітрі.

     Дуже серйозною проблемою є забруднення аналізованого зразка. При цьому потрапляння "старого" Карбону (приміром у вигляді крейди) в "сучасній" не таке але й небезпечне, адже похибка в такому разі буде мізерною. Але якщо в старий зразок, у якому вміст радіо-вуглецю за час його існування зменшився (наприклад у 100 разів), і потрапить хоча б 1% домішків сучасно вуглецю, то загальна кількість ¹⁴С у даному зразку подвоїться, що призведе до дуже великої помилки у визначенні віку. Аналіз покаже вік у 6000 років! Із такими забрудненнями досліджуваних об'єктів доводиться зіштовхуватися дуже часто. Наприклад, коли в штаті Орегон (США) під час прокладання гірської дороги знайшли у печері 300 пар стародавнього взуття, археологи вирішили для кращого збереження покрити їх шаром спеціального лаку. Нащастя лаку вистачило лише на 294 пари такого взуття, а тому шість пар взуття, які залишилися придатними для в значення їхнього віку радіо-вуглецевим методом, оскільки в лаку був присутній "свіжий" нуклід ¹⁴С, який спотворив би всю картину.

     Із ще однією загадкою вчені зіштовхнулися, коли за допомогою радіо-вуглецевого методу вони спробували визначити приблизний вік трави, що росла обабіч жвавої автомобільної дороги. Вийшло так, що траві кілька тисяч років. Розгадка такого на перший погляд феномену виявилася досить простою, але повчальною для вчених. Вся справа в тому, що придорожня трава поглинала вуглекислий газ, джерелом якого були вихлопи автомобілів. Ці гази виділялися через згоряння пального, яке робили із нафтопродуктів (нафти), де вміст ¹⁴С за мільйони років не зберігся. Ось чому вміст ¹⁴С виявився у придорожній траві дуже низьким, що "збільшило" в сотні разів її справжній вік.

     Радіовуглецевий метод перевірявся на зразках, вік яких був достеменно відомий науковцям завдяки археологічним та історичним джерелам. Це були приміром шматочки дерева із гробниць фараонів (3900-5600 років тому), або з руїн міста Помпеї (2000 років тому). Результати вимірювань підтвердили точність радіо-вуглецевого методу. Як останній приклад використання радіо-вуглецевого методу було визначення віку знаменитої Турінської плащаниці, яка згідно із переказали покривала тіло Ісуса Христа, і на якій ніби то залишився відбиток його обличчя. Суперечки про її історичну достовірність точилися століттями. У 1390 році папа Климент VII оголосив її підробкою, а вже через шість століть інший папа - Іоан Павло ІІ оголосив Турінську плащаницю найважливішою реліквією в історії християнства. Серед науковців не було єдиної точки зору із цього приводу. Відповідь на це питання могла дати хімія. Але вона лише заплутала все, і породила ще більше суперечок серед вчених, адже добавила аргументів тим, хто виступав за її історичну достовірність, і тим, хто виступав проти такої. Радіо-вуглецевий аналіз був єдиним, хто міг би розставити всі крапки над "ї". Однак тривалий час архієпископ Туріна не давав дозволу на його проведення для плащаниці, мотивуючи це тим, що йому шкода відрізати від неї шматочки для аналізу. Хоча матеріал для проведення дослідження був дуже хороший: полотнище було лляне, тобто рослинного походження, де вміст ¹⁴С дозволяв визначити точний його вік. Згодом архієпископ Туріна (саме в цьому італійському місті зберігали плащаницю) дозволив провести дослідження, і рано вранці 21 квітня 1988 року в його присутності, а також у присутності інших кардиналів, великої групи вчених та журналістів, групою спеціалістів було відрізано від плащаниці смужку завширшки 1 см і довжиною 7 см, яку потім розділили на три частини, маса кожної із яких складала близько 50 мг. Потім вони загорнули кожен фрагмент плащаниці в алюмінієву фольгу, і врахували у пронумеровані капсули із хромованої нержавіючої сталі. Ці капсули разом із зразками були передані трьом групам вчених із Арізони (США), Цюріха (Швейцарія) та Оксфорда (Велика Британія). Робітники лабораторій не знали що міститься у капсулах, адже все трималося в строгій секретності. У контрольних зразках лежала тканина із нубійського поховання ХІ-ХІІ століття, тканина знята із мумії Клеопатри (поч. ІІ ст. н.е.) та нитки із старовинної ризи, виготовленої за часів правління французького короля Філіппа ІV (1290-1310 рр.).

     В усіх трьох лабораторіях зразкам зробили перш за все мікроскопічне дослідження і ретельне очищення, аби видалити можливі домішки. Потім зразки спалювали, а вуглекислий газ, що утворився, перетворювали на чистий Карбон - графіт, у якому і визначали вміст ¹⁴С за допомогою масспектрометра. Звіти були зібрані в одному місці - Британському музеї, де їх проаналізували, а результати аналізу опублікували в одному із найскладніших наукових журналів світу - Nature" (буквально "Природа"). Величезна кількість науковців, що працювали над звітом (у статті був аж 21 автор). Доречі той, хто читає цю статтю справжній молодець, і може поставити собі в коментарях під нею "зірочку" (це означатиме що Ви її прочитали). У підсумку дослідження трьох лабораторій дані несуттєво відрізнялися, і вказували на те, що плащаниці на момент дослідження було 690 років, тобто вона була створена приблизно в 1300 році. Добре узгоджувалися дані й інших контрольних зразків, а саме - тканина із нубійського поховання - 937 років (1052 рік), тканина із мумії Клеопатри - 1064 роки (приблизно 25 рік н.е.), а французька риза - 724 роки (приблизно 1265 рік). Після введення поправок щодо зміни вмісту ¹⁴С в атмосфері у минулі століття, вчені винесли ухвалу, згідно із якою, відхилення може становити не більше 5%, тобто сама плащаниця була виготовлена між 1265 і 1390 роками. Таким чином, папа Климент VII мав рацію, коли оголосив її підробкою. Саме так радіо-вуглецевий аналіз дозволив з точністю визначити вік тканини. Однак Ви помиляєтеся, якщо вважаєте, що це поставило крапку в дискусії стосовно віку та історичної достовірності плащаниці. Це навпаки, лише підлило "масла у вогонь". Пригадайте ситуацію із травою біля автостради і помилкою у визначенні її віку за допомогою радіо-вуглецевого методу, і Вам стане зрозуміло, настільки цей факт став сильним аргументом для різних сторін дискусії. Одні вважали що похибка може бути і в "інший бік", адже пожежа, яка частково пошкодила плащаницю в 1552 році могла змінити хімічне середовище навколо неї, і вплинути на тканину на молекулярному рівні. Тобто коли вона просочилася димом, відмити тканину перед аналізом від його часточок було майже не можливо, адже вони знаходилися у тканині понад 430 років, а Карбон, що міститься в частинках диму має той самий вік, що й дерево, яке горіло тоді. Деякі вчені провели в 1993 році модельний експеримент, що відтворював умови середньовічної пожежі. Звісно, вони взяли не плащаницю, а зовсім іншу тканину. Як з'ясувалося, за умов пожежі співвідношення атомів стабільного і нестабільного Карбону в тканині помітно змінюється, що своєю чергою вносить похибку в результати радіо-вуглецевого аналізу. Таке забруднення "старого" Карбону часів Христа могло спокійно замінитися новим Карбоном, виділеним під час пожежі, що могло призвести до "омолодження" самої плащаниці, якщо судити про її вік за кількістю радіо-вуглецю, що не розпався.

     Ще одне дослідження американського хіміка із Каліфорнійського університету Раймонда Роджерса у 2005 році теж підлило масла у вогонь. 17 років тому він опублікував сенсаційну статтю, у якій йшлося про те, що в 1988 році для дослідження було взято виключно невдалий зразок: латочку, яка була сотні років тому пришита до обгорілої плащаниці, і потім підфарбована настільки майстерно, що не відрізнялася від більш старішого фрагменту. Тому він вважав, що клопітка дослідження було даремним. Сам Роджерс проводив дослідження хімічних змін у тканині. Отримані результати спонукали його до до висновку про те, що вік Турінської плащаниці коливався в межах від 1300 до 3000 років, а тому вона цілком могла бути виготовлена у І столітті, коли жив Ісус Христос. Історія Туринської плащаниці залишається суперечливою і суперечливий є також і результати наукових досліджень. Але це цілком нормально для наукової спільноти, яка часто полюбляє повторювати крилатий вислів "Істина народжується у суперечках".

     Для написання цієї статті були використані чудові книги "Дивовижна хімія" (Про що не розповіли підручники), автор Ілля Абрамович Лєєнсон, та "Хімія на пальцях" автора Андрія Шляхова.

Сподіваємося що Вам було цікаво. З любов'ю завжди Ваше Природничо-географічне товариство