Skip main navigation

Что такое изотопы?

Изотопные исследования важны в археологии, но также имеют применение в судебной медицине. Профессор Джанет Монтгомери обсуждает эту тему
Стилизованное изображение атома с протонами, нейтронами и электронами.
© Durham University

Анализ стабильных изотопов произвел переворот в археологических исследованиях человека. Анализ соотношений различных химических элементов в костях и зубах позволил археологам изучить процессы перемещения людей в пределах стран и через их границы, а также оценить различия в рационе. Анализ стабильных изотопов в контексте судебной экспертизы и криминалистики в целях идентификации человека начали применять гораздо позже — и весьма успешно. В следующем разделе профессор Джанет Монтгомери (Janet Montgomery) — ведущий специалист по изотопному анализу — расскажет, что такое стабильные изотопы и как их анализ помогает получить ответы на вопросы о прошлом и настоящем.

Что такое стабильный изотоп?

Все элементы состоят из атомов, а все атомы — из ядра, содержащего положительно заряженные протоны (protons) и нейтральные нейтроны (neutrons). Ядро окружено кольцом отрицательно заряженных электронов(electrons).

Image of the structure of an atom Строение атома (источник: Джанет Монтгомери)

Именно количество протонов в элементе определяет его химическую природу (атомное число), и это число остается неизменным для всех элементов. Так, у всех атомов углерода в ядре имеется шесть протонов (атомное число 6), а у каждого атома азота — семь протонов (атомное число 7).

Несмотря на то что количество протонов в ядре конкретного элемента никогда не меняется, в атомах одного элемента может содержаться различное количество нейтронов. Эти разновидности (изотопы) различаются по массовому числу ядер, но сохраняют одни и те же химические свойства. Так, в природе встречается два изотопа азота (¹⁴N и ¹⁵N). Оба изотопа азота имеют одно атомное число (7 протонов), но разное количество нейтронов (7 и 8 соответственно). Таким образом, эти два изотопа азота различаются по атомной массе (суммарному количеству протонов и нейтронов). Обычно в природе наиболее распространен самый легкий изотоп, а другие присутствуют в следовых (очень малых) количествах.

A representation of oxygen isotopes Пример изотопов кислорода. Обратите внимание на разное количество нейтронов в ядре (источник: Wiki Commons)

Разделение изотопов

Все изотопы одного элемента имеют в точности одинаковые химические свойства, однако ввиду различий в атомной массе они слегка отличаются по физическим свойствам (температура кипения, температура плавления и так далее) из-за более высокой энергии колебаний более легких изотопов. Эти различия приводят к разделению (фракционированию) изотопов в ходе физических и химических процессов. Степень фракционирования зависит от температуры и тем более выражена, чем больше различие в атомной массе.

Фракционирование легких элементов, в том числе углерода, азота и кислорода, при низких температурах окружающей среды и биологических процессов используется в повседневной практике биоархеологических исследований, в которых изучается рацион питания живших ранее популяций. Более тяжелым элементам, таким как стронций, для изменения соотношения изотопов, которое можно использовать, требуются гораздо более высокие температуры. Например, фракционирование, происходящее в условиях образования горных пород, позволяет различать геологические (а следовательно, и географические) регионы, в которых жили люди.

Как изотопы используются в биоархеологических исследованиях?

В биоархеологических исследованиях для ответа на вопросы о рационе питания, здоровье и миграции часто используется несколько изотопных систем. Изотопный анализ позволяет исследователям извлекать информацию непосредственно из зубов и костей древних людей, что можно использовать для реконструкции среды, в которой они жили, их рациона питания, периодов пищевого стресса и мест обитания. Например, можно узнать, были ли они вегетарианцами, кормили ли их грудью, могли ли они родиться и вырасти в каком-то другом месте. Другие археологические признаки, в том числе тип и место захоронения и положенный в могилу погребальный инвентарь, также помогают найти ответы на некоторые из указанных вопросов. Так, захоронение, в котором находится типичное для викингов оружие или комплект украшений, может указывать на скандинавское происхождение похороненного там человека. Но вдруг он перенял самобытность викингов во взрослом возрасте — или она была приписана ему уже после смерти? Анализ изотопов в его зубах, сформированных в раннем детстве, может указать на то, что человек вырос в более северной местности, например на древних скалах Балтийского щита.

Какие образцы можно отбирать?

В археологических захоронениях сохраняются в основном такие материалы, как зубы и кости; оба они позволяют сравнить рацион и происхождение человека в детстве и во взрослом возрасте. Зубы позволяют оценить рацион питания конкретного индивидуума, его здоровье и условия окружающей среды, с которыми он сталкивался в детстве, так как ни дентин (корень зуба), ни эмаль не подвергаются существенному ремоделированию после формирования в раннем детстве. И наоборот: кость подвергается ремоделированию в течение жизни, поэтому отбор ее образцов позволяет изучить рацион питания, состояние здоровья и условия окружающей среды человека во взрослом возрасте.

Image of bones and teeth used in isotopic analyses Примеры типов тканей, используемых в археологических изотопных исследованиях (источник: Wiki Commons)

Мы изучили, что такое изотоп, а на следующем этапе рассмотрим процесс подготовки костей и зубов для изотопного анализа.

© Durham University
This article is from the free online

Forensic Archaeology and Anthropology (Russian)

Created by
FutureLearn - Learning For Life

Our purpose is to transform access to education.

We offer a diverse selection of courses from leading universities and cultural institutions from around the world. These are delivered one step at a time, and are accessible on mobile, tablet and desktop, so you can fit learning around your life.

We believe learning should be an enjoyable, social experience, so our courses offer the opportunity to discuss what you’re learning with others as you go, helping you make fresh discoveries and form new ideas.
You can unlock new opportunities with unlimited access to hundreds of online short courses for a year by subscribing to our Unlimited package. Build your knowledge with top universities and organisations.

Learn more about how FutureLearn is transforming access to education