Promieniowanie. Część 5: Datowanie radiowęglowe

Poprzednie części cyklu:
Część 1: Wstęp
Część 2: Czas półtrwania
Część 3: Dawka, moc dawki, gdzie znajdziemy dane
Część 4: Działanie w przypadku skażenia

Przez ostatnich kilka odcinków głównie straszyłem was promieniowaniem. No, może nie tyle straszyłem, ile ostrzegałem. Ale dziś chcę napisać o tym, do czego możemy wykorzystać promieniowanie w badaniach naukowych.
Zapewne część z was słyszała o tzw. datowaniu radiowęglowym i o tym, jak ustala się wiek niektórych przedmiotów przy wykorzystaniu izotopów. Chciałbym dziś opowiedzieć o tym nieco dokładniej.

Bohaterem opowieści jest promieniotwórczy izotop węgla, znany jako 14C (węgiel-14). Trzeba tu wiedzieć, że węgiel ma kilka naturalnych izotopów, czyli atomów różniących się tylko liczbą neutronów w jądrze. Ten najczęściej występujący to 12C, mający w jądrze 6 protonów i 6 neutronów. Oprócz niego istnieje też 13C, który ma 7 neutronów, oraz 14C, mający 8 neutronów. I właśnie ten ostatni jest dla nas interesujący, ponieważ jest on promieniotwórczy. Jego okres półtrwania (pisałem o tym wcześniej) wynosi 5730 lat.

Skąd się bierze 14C na Ziemi? Gdyby był zawarty w skorupie ziemskiej wtedy, gdy nasza planeta powstawała, dawno by się rozpadł. Okazuje się, że tworzy się on w sposób ciągły w górnych warstwach atmosfery. Docierają tam z przestrzeni kosmicznej neutrony, które wchodzą w reakcje jądrowe z atomami azotu, w wyniku czego powstają właśnie węgiel-14 oraz protony. Te atomy węgla wchodzą w naturalny obieg węgla w przyrodzie: utleniają się do CO2, dzięki fotosyntezie są pochłaniane przez rośliny, tworząc cukry, my zjadamy rośliny, wydychamy dwutlenek węgla – i tak kółko się zamyka.

Oczywiście cały czas zachodzi też proces rozpadu 14C. W wyniku tzw. emisji beta węgiel ulega przemianie w 14N, elektron (to jest właśnie promieniowanie beta) oraz antyneutrino. Tak więc sumarycznie: z 14N powstał 14C i po jakimś czasie rozpadł się do azotu-14. Tu też kółko się niejako zamyka.

Idźmy dalej. Po wielu latach poziom 14C się ustalił. W stosunku do węgla-12 jest go naprawdę niewiele – jeden promieniotwórczy przypada na bilion (1012) atomów węgla-12. Spróbuję to jakoś przybliżyć. Węgiel stanowi ok. 18% masy ciała. Jeśli weźmiemy np. mężczyznę ważącego 80 kg, ma on w sobie 15 kg węgla. Oznacza to, że w jego ciele znajduje się ok. 15 nanogramów 14C. Ile to jest? Po prostu pyłek, niewidoczny dla oka. Na szczęście, biorąc pod uwagę czas półtrwania oraz moc promieniowania, nie zagraża to naszemu zdrowiu.

Ale wróćmy do datowania. Wszystkie żywe organizmy zawierają węgiel, a więc też pewną ilość izotopu 14C. Ponieważ stale trwa obieg węgla w przyrodzie, jego poziom (przypomnę – 1 atom na bilion) jest w zasadzie stały. Ale tak jest tylko za życia. Jeśli roślina, zwierzę czy inna żywa istota umrze, obieg węgla ustaje. Jednym słowem w tym momencie startuje zegar izotopowy. 14C się nadal rozpada, ale nie jest uzupełniany w procesie metabolizmu. Za 5730 lat zostanie jego połowa, za 11 460 – 25% itd. Jeśli więc zmierzymy poziom promieniowania danego obiektu, będziemy wiedzieli, kiedy ustał metabolizm. Jeśli więc np. archeolodzy wykopią średniowieczną dłubankę czy starożytny papirus, będzie można ustalić, kiedy zostały wykonane. To samo dotyczy innych artefaktów, wszystkiego, co kiedyś było włączone w obieg węgla w przyrodzie.

Na pomysł wykorzystania tej techniki wpadł w latach 40. XX w. Willard Libby, za co w 1960 roku otrzymał Nagrodę Nobla. Przy okazji: pracował też przy Projekcie Manhattan, a potem był zwolennikiem zimnej wojny i gorąco popierał budowę przydomowych schronów atomowych.

Metodą radiodatowania ustalono np. czas powstania słynnych rękopisów z Qumran, czyli zwojów znad Morza Martwego. Zastosowano przy tym akceleratorową spektrometrię mas (AMS). Technika ta pozwala na oznaczenie bardzo rzadko występujących izotopów, dlatego jest szczególnie przydatna do datowania radiowęglowego. Bo, jak się tak dobrze zastanowić, poszukiwanie igły w stogu siana jest łatwe w porównaniu z szukaniem pojedynczych atomów 14C wśród bilionów atomów zwykłego węgla.

Jeden ze zwojów z Qumran
źródło: Wikimedia, domena publiczna

Pierwszą, bardzo ważną czynnością jest przygotowanie próbki. Na tym etapie łatwo popełnić błędy, które potem rzutują na końcowy wynik. Obecnie najczęściej stosuje się metodę AAA (acid-alkali-acid), polegającą na kolejnym traktowaniu próbki roztworem kwasu (HCl), następnie zasady (NaOH), a potem znowu kwasu. Pozwala to na usunięcie węglanów nieorganicznych oraz wszelkiego materiału organicznego naniesionego na próbkę w okresie późniejszym niż „czas zero”. Następnie próbkę spala się w obecności CuO i Ag w zamkniętym naczyniu kwarcowym, uzyskując CO2. W kolejnym etapie związek ten redukuje się wodorem w obecności Fe jako katalizatora – proces ten nazywa się grafityzacją. Otrzymaną mieszaninę C i Fe wprasowuje się w aluminiowy uchwyt i umieszcza w źródle jonów w akceleratorowym spektrometrze mas.

Akceleratorowy spektrometr mas – AMS (Lawrence Livermore National Laboratory)
źródło: Wikimedia, domena publiczna

Jony ze źródła są wstrzykiwanie do akceleratora, przechodzą przez magnes analizujący analizatora elektrostatycznego do detektora. Tu należy dodać, że mamy tu do czynienia z jonami ujemnymi, podczas gdy w klasycznych spektrometrach mas są to jony dodatnie. Dalszą pracę wykonuje elektronika. W wyniku otrzymujemy zawartość jonów węgla-14 w próbce. Warto tu zauważyć, że aparatura ta nie mierzy promieniowania, zlicza tylko atomy 14C. Wcześniej mierzono promieniowanie beta, ale te techniki były zdecydowanie mniej dokładne niż spektroskopowe. Celowo pomijam tu konieczność wzięcia pod uwagę wahania zawartości 14C na przestrzeni wieków, a także kwestie kalibracji urządzeń. Tę tematykę omówię kiedyś. Tu napiszę tylko, że wyniki oznaczające wiek próbki są zwykle podawane z tajemniczym skrótem BP. Rozszyfrujmy go. BP oznacza Before Present, a więc “przed chwilą obecną”. Ta “chwila obecna” to rok 1950. Wynika to z działalności człowieka, a mianowicie z wielkiej liczby powietrznych prób atomowych, co w dużym stopniu wpłynęło na zawartość 14C w atmosferze.

Maksymalny wiek badanych próbek to ok. 60 tys. lat. Po tym czasie w próbkach jest za mało węgla-14, aby można było uzyskać rzetelne wyniki. Jeśli chodzi o szczątki ludzkie, badania prowadzi się zazwyczaj na próbkach o masie 60-200 mg. Ostatnio coraz częściej spotyka się doniesienia o analizach prowadzonych na próbkach 3-60 mg.

Na koniec ciekawostka: chyba najsłynniejszym obiektem, którego wiek ustalano metodą radiowęglową, jest Całun Turyński, domniemane płótno, w które owinięto po śmierci ciało Jezusa. Badanie zawartości 14C, które wykonano w 1988 roku, wykazało, że pochodzi on ze średniowiecza, a więc nie może być uznany za autentyczny. Jednak od tego czasu trwa wielka dyskusja o metodologii pobierania i obróbki próbek, jak też o samym badaniu. Pewnie jeszcze długo nie będziemy mieli ostatecznej opinii.

Datowanie radiowęglowe nie jest jedyną metodą datowania izotopowego, jest za to chyba najbardziej znaną. Mamy dziś wiele innych metod, które stosuje się głównie w szacowaniu wieku skał, ale także w archeologii. Jest to m.in. metoda uranowo-torowa, potasowo-argonowa czy rubidowo-strontowa. Za jakiś czas postaram się je też opisać.

Proste wyjaśnienie datowania radiowęglowego (ang.)
Strona Poznańskiego Laboratorium Radiowęglowego
Metoda radiowęglowa – ze strony University of Chicago (ang.)
Historia metody datowania C-14 (ang.)

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *