Ученые из России и США создали прибор, с помощью которого можно точно определять в образцах горных пород доли углерода-12 и углерода-13, сообщает информационное агентство ТАСС. Благодаря этому палеонтологи и геологи могут отказаться от эталонных образцов для подобных измерений. Статью с описанием прибора опубликовал научный журнал Nature Physics.
© AP Photo/Chris Carlson
В атмосфере, гидросфере и литосфере Земли содержится три распространенных изотопа углерода – нестабильный углерод-14, который образуется в результате взаимодействия космических лучей и атомов азота, и стабильные углерод-12 и углерод-13. Два последних изотопа играют огромную роль в изучении прошлого планеты: благодаря им ученые могут вычислить возраст окаменелостей, костей и других остатков древних организмов. Благодаря этому можно узнать историю их жизни и положение на эволюционном древе.
В частности, в клетках животных и растений доля углерода-13 обычно относительно низка из-за особенностей работы их ферментов, которые предпочитают захватывать углерод-12. Благодаря этому ученые могут по доле углерода-13 определять происхождение залежей полезных ископаемых, а также диету травоядных и температуру, при которой формировались раковины морских моллюсков и многое другое.
Для подобных измерений ученые еще в середине прошлого века создали изотопный эталон. Он представляет собой раковину белемнита из пород мелового периода с востока США. Углерода-13 в ней по сравнению с другими окаменелостями было необычно много. Ее назвали PDB в честь геологической формации Пиди, где ее и нашли.
Раковину разрезали на множество частей, которые передали в десятки физических лабораторий мира. Впоследствии атомных спектроскопов – приборов, которые могут вычислять относительные доли изотопов углерода, – стало гораздо больше. Поэтому нужно было создать альтернативные эталоны, идентичные PDB.
С середины 1980-х гг. для этих целей использовали так называемый венский вариант PDB. Основой для него был крупный фрагмент кальцита, доли углерода-13 и углерода-12 в котором были очень близки к соотношению в PDB. Однако его запасы тоже подошли к концу. Поэтому нужно искать замену, количество которой не было бы ограниченным.
Физики под руководством Джозефа Ходжеса из Национального института стандартов и времени США нашли иное решение для этой проблемы. Они точно измерили абсолютные доли углерода-12 и углерода-13 в венском варианте PDB, а также в других образцах пород органического происхождения.
Ранее ученые уже пытались провести подобные измерения, однако почти всегда результаты экспериментов сильно расходились друг с другом. Авторы новой работы обошли эти проблемы, измерив доли углерода-12 и углерода-13 с помощью специально разработанной для этого системы на базе трех разных типов инфракрасных лазеров.
Частоту этих излучателей ученые подобрали так, чтобы они взаимодействовали только с теми молекулами углекислого газа, в которых были или углерод-12, или углерод-13. Поэтому, если подсветить газообразный образец пучком из этих лазерных лучей, можно очень точно определить их общую массу и соотношение в образце.
Ученые измерили таким образом доли изотопов углерода в обычном воздухе и параллельно определили их классическим изотопным анализом. Затем они использовали те же измерения, чтобы вычислить доли изотопов углерода в венском PDB. Благодаря этому они заново определили углеродный изотопный стандарт и связали его с двумя фундаментальными свойствами молекул углекислого газа, в которых есть атомы углерода-12 и углерода-13.
По словам авторов статьи, это похоже на то, как Международная палата мер и весов отказалась от материальных стандартов массы, длины и других физических величин и стала определять их через фундаментальные константы. Ученые надеются, что их коллеги в ближайшее время переопределят и другие изотопные эталоны, чтобы их было легче использовать.
