Datowanie radiowęglowe to metoda badania wieku przedmiotów oparta na pomiarze proporcji między
izotopem promieniotwórczym
węgla
14C a izotopami trwałymi 12C i 13C. Metoda dostępna w wielu laboratoriach, również w Polsce, opracowana została przez
Willarda Libby'ego
i jego współpracowników w
1949
. Libby otrzymał za tę pracę
nagrodę Nobla w dziedzinie chemii
w
1960
roku.
Podstawy naukowe
W górnych warstwach
atmosfery
pod wpływem
neutronów
promieniowania kosmicznego
cały czas zachodzi proces przemiany
14N
w radioaktywny
14C
w myśl reakcji:
Węgiel ten następnie rozchodzi się równomiernie w
atmosferze
i pod postacią
dwutlenku węgla
wchodzi poprzez
fotosyntezę
do organicznego obiegu
węgla w przyrodzie
. Tak długo jak
organizm
żyje, wymienia
materię
z otoczeniem i proporcje węgla radioaktywnego do stabilnego w materii żywej są podobne jak w atmosferze.
Sytuacja zmienia się jednak, gdy tylko organizm umrze - wymiana przestaje zachodzić, a izotop 14C z czasem rozpada się według reakcji:
Jego udział spada o połowę co każde około 5740 lat (jest to tzw.
czas albo okres połowicznego rozpadu
). Zanik izotopu 14C w stosunku do jego początkowej ilości przedstawia poniższa tabela.
- Spadek ilości izotopu 14C z czasem
Czas (lata) | Względna ilość izotopu 14C |
---|
0 | 100,00% |
1 | 99,99% |
2 | 99,98% |
5 | 99,94% |
10 | 99,88% |
20 | 99,76% |
50 | 99,40% |
100 | 98,80% |
200 | 97,61% |
500 | 94,14% |
1000 | 88,62% |
2000 | 78,54% |
5000 | 54,67% |
10000 | 29,89% |
20000 | 8,94% |
50000 | 0,24% |
Obecny udział izotopu radioaktywnego węgla do całości węgla w atmosferze ziemskiej oraz wodach powierzchniowych jest rzędu jednego atomu radioaktywnego na
bilion
(1012) atomów węgla (stężenie 1
ppt
). Wartość ta jest zmienna w czasie, gdyż zależy od stężenia węgla w atmosferze oraz natężenia promieniowania kosmicznego.
By określić kiedy nastąpiło pobranie węgla z atmosfery do fotosyntezy i budowy danego organizmu, należy zmierzyć proporcję izotopu węgla 14C do całej zawartości węgla w badanych pozostałościach organizmu lub materiałów pochodzących z tego organizmu (np.
drewna
lub
skóry
). Następnie trzeba obliczyć, jak dawno temu próbka miała proporcje izotopów równe wówczas proporcji atmosferycznej.
Udział radiowęgla w ogóle węgla występującego w atmosferze można wyrazić wzorem:
Licznik zależy od ilości wytworzonego przez promieniowanie kosmiczne radiowęgla i nie zmienia się znacznie w badanym okresie. Znacznie gorzej jest z mianownikiem - ilość CO2 w atmosferze podlega częstym wahaniom, zwłaszcza w związku z procesami zlodowacenia. Z tego powodu na czysty wynik pomiarów radiowęglowych konieczne jest naniesienie poprawek.
W celu uzyskania większej dokładności datowania radiowęglowego stosuje się inne metody określania wieku materiału i porównuje się wyniki z datowaniem radiowęglowym. W ich wyniku uzyskuje się krzywe
kalibracji
. Najpowszechniej stosowane metody to:
dendrochronologia
, datowanie uranowo-torowe korali i chronologia tzw. warstw (warstewek ilastego osadu).
Maksymalny wiek próbek, dla których można stosować metodę datowania radiowęglowego to 58-62 tys. lat. W przypadku próbek starszych zawartość 14C jest na tyle mała, że jej pomiar obarczony jest dużym
błędem
.
Dokładność pomiaru spada też dla próbek z okresów nasycenia metody datowania radiowęglowego (ang. radiocarbon plateau), w których stężenie izotopu 14C w atmosferze ulegało zmianom w tempie podobnym do zaniku 14C w materiale wyniku rozpadu. W związku z tym zależność pomiędzy latami radiowęglowymi i chronologią bezwzględną (latami) - czyli tzw. krzywa kalibracji - przestaje być liniowa w tych obszarach czasowych i nasyca się (spłaszcza). Efekt taki miał miejsce m.in. 10 000 - 11 000 lat temu, podczas
młodszego dryasu
.
Kalibracja
Krzywa kalibracji datowania radiowęglowego. Źródło danych: Stuiver et al. 1998
[1].
Wiek próbki obliczony na podstawie rozkładu izotopu promieniotwórczego nie jest dokładny, dlatego że zawartość atmosferycznego 14C nie była stała, lecz zmieniała się w wyniku zmian aktywności słonecznej. Potencjalnie koncentracje 14C zwiększają odległe zjawiska astrofizyczne, jak wybuchy
supernowych
czy
rozbłyski gamma
. Ilość trwałych izotopów węgla ulega rozcieńczaniu w wyniku uwolnienia węgla z naturalnych starych źródeł na Ziemi np. z osadów oceanicznych, bagiennych, erozji CaCO3, wybuchów wulkanów itp. Na niektóre procesy uwalniania ma wpływ klimat, a niektóre procesy związane z uwalnianiem wpływają na klimat. Na podstawie licznych pomiarów metodą radiowęglową oraz innymi metodami opracowano krzywą kalibracyjną datowania radiowęglowego (patrz rysunek), umożliwiającą określanie daty kalendarzowej próbki.
Przypisy
Zobacz też
Linki zewnętrzne