Stwierdzenie, jak stare jest dane znalezisko, może być dość proste lub nastręczać trudności. Rozważmy kilka przypadków. Gdybym zapytał np. o wiek obrazu Jana Matejki pt. „Stańczyk”, to każdy może to sprawdzić bez specjalnych umiejętności. Wystarczy sprawdzić, kiedy Matejko żył i kiedy tworzył, bo obraz na pewno nie powstał wcześniej ani później niż w okresie pomiędzy 1838 i 1893 r. Można się nawet wysilić na pewną kalibrację, bo z pewnością nie malował w kołysce. Gdybym jednak zadał to samo pytanie, ale wskazując na malowidła na ścianach jaskiń, to odpowiedź nie byłaby już tak prosta, głównie z tego powodu, że tym artystom nikt nagrobków nie stawiał, choć zdarza się nam natrafiać na ich szkielety.

Pomimo że odpowiedź o wiek takich malowideł nie jest prosta do uzyskania, to potrafimy to zrobić, opierając się na czymś, co jest bardzo proste i powszechne, a mianowicie na węglu. We wcześniejszych wpisach wspominałem o tym, skąd pochodzą pierwiastki, oraz o ich izotopach, z których część jest stabilna, a część ulega rozpadowi. Węgiel posiada trzy izotopy występujące naturalnie, tj. ¹²C i ¹³C, posiadające odpowiednio po 6 i 7 neutronów w jądrze, oraz izotop ¹⁴C, który w przeciwieństwie do wcześniejszych jest niestabilny i ulega rozpadowi. I teraz będzie coś, co powinna wiedzieć pewna posłanka :). Izotop ¹⁴C powstaje w górnych warstwach atmosfery pod wpływem promieniowania kosmicznego, gdy atom azotu zostanie trafiony rozpędzonym neutronem, według równania n + ¹⁴N → ¹⁴C + H. W naszej atmosferze oprócz azotu znajduje się jeszcze np. tlen, który z takim węglem może utworzyć dwutlenek węgla, który trafi do obiegu czy to poprzez rośliny czy inną drogą. Nawet jeśli nasza gospodarka stanie się zeroemisyjna, to CO₂ nie zabraknie. Istotne jest również to, że dopóki organizm żyje, dopóty absorbuje ten węgiel, a jego proporcje do pozostałych izotopów węgla w organizmie i w samej atomosferze pozostają stałe. Zmienia się to, gdy organizm umiera i przestają zachodzić procesy, które umożliwiały pobieranie radioaktywnego węgla z otoczenia. Skoro ulega on rozpadowi, to dość łatwo stwierdzić że jego ilość w stosunku do pozostałych, stabilnych izotopów, będzie maleć. Tu muszę powiedzieć, że jesteśmy szczęściarzami, jakich mało, jeśli chodzi o nasz Wszechświat: o ile rozpad pojedynczego jądra atomu jest z uwagi na mechanikę kwantową nie do przewidzenia, o tyle potrafimy całkiem nieźle przewidzieć, w jakim czasie nastąpi rozpad połowy z większych ilości. Właśnie to nazywa się okresem połowicznego rozpadu lub angielskim half-life. W przypadku takiego węgla okres, po którym połowa jąder ulega rozpadowi, wynosi 5730+/-40 lat.

Mając taką wiedzę i zakładając, że zawartość ¹⁴C w atmosferze jest stała, można łatwo określić wiek np. szkieletu, w którym zawartość takiego węgla zmniejszyła się o 50%. Jeśli o połowę, to można powiedzieć, że owo znalezisko ma mniej więcej te 5730 lat. Metoda ma jednak kilka wad: stosunek zawartości izotopów w atmosferze nie był stały na przestrzeni czasów, bo powstawanie takiego węgla zależy od intensywności promieniowania kosmicznego, na którą wpływ ma wiele czynników, jak choćby aktywność Słońca, która jest zmienna w czasie, co powoduje, że wiele próbek mylnie odmłodzono lub postarzono. Skalę takiego datowania trzeba było skalibrować przy pomocy innych. Dwie najciekawsze metody, którymi się posłużono, polegają w gruncie rzeczy na tym samym, tj. na liczeniu słojów, tyle że w pierwszym przypadku liczono słoje drzew, a w drugim rdzeni lodowych z Antarktydy. W przypadku drzew należy porównać z sobą schemat przyrostu takich słojów, który będzie wspólny dla drzew z jednego obszaru i wyrobów z nich wykonanych. Mają one często dobrze określone daty powstania, np. belka konstrukcyjna w katedrze itp. Można w ten sposób całkiem nieźle oznaczać czas ścięcia drzew i porównać go z czasem, który wynikałby z analizy węgla. Rdzenie wycinane z lodów Antarktydy zaś mają tę zaletę, że zawierają w sobie niejako zamrożoną atmosferę z różnych okresów historii, przez co stanowią świetny punkt odniesienia. Ważnym ograniczeniem tej metody datowania jest to, że po pewnym czasie ilość węgla będzie zbyt mała, aby ją oznaczyć, co powoduje, że metoda ta nie pozwala na oznaczenie wieku próbek starszych niż ok. 35 tysięcy lat.

Co jednak w przypadku gdy próbka jest starsza lub zwyczajnie węgla nie zawiera? Można sięgnąć po inne pierwiastki, które również mają promieniotwórcze izotopy. Warunkiem jest to, aby produkt rozpadu nie trafiał do próbki w żaden inny sposób. Jeśli komuś na myśl o promieniotwórczych pierwiastkach przyszedł do głowy uran, to ma rację. Szczególnie dobrze widać to na przykładzie korali, które podczas swojego morskiego życia pochłaniają zawarty w wodzie ²³⁴U, ulegający rozpadowi do jednego z izotopów toru, ²³⁰Th. Korale podczas swojego życia nie absorbują toru z wody, a więc ten obecny w próbce musi być produktem rozpadu. Mierząc stosunek zawartości tych dwóch pierwiastków, potrafimy całkiem nieźle określać wiek próbek do ok. 350 tysięcy lat.

W przypadku próbek starszych lub niezawierających uranu można posłużyć się radioaktywnym izotopem potasu ⁴⁰K, którego produktem rozpadu jest gazowy argon. Można świetnie to wykorzystać do określenia wieku skały. Gaz nie może uciec z jej wnętrza, chyba że skała ulegnie roztopieniu, tak więc zawartość argonu w skale określa wiek np. danej warstwy geologicznej. Biorąc pod uwagę długi okres takiego rozpadu, wykorzystano tę metodę w określeniu wieku naszej planety.

Analiza zawartości innych radioaktywnych izotopów pierwiastków w różnych obiektach pozwala nam też odpowiedzieć na inne pytania niż tylko na te dotyczące wieku danego obiektu. Przy pomocy takiej analizy określono na przykład pochodzenie króla, który w VIII wieku przybył do skromnej wioski o nazwie Copán w Ameryce Środkowej, która stała się jednym z najważniejszych miast Majów. Jego pochodzenie było niejasne aż do momentu przeprowadzenia analizy zębów, a konkretnie zawartego w nich izotopu strontu, ⁸⁷Sr. Jest on produktem rozpadu rubidu – ⁸⁷Ru, i jest również niestabilny. Pozostałe izotopy strontu o liczbach 84, 86 i 88 są trwałe. Stront jest zawarty w glebie tak jak inne pierwiastki np. wapń do którego jest chemicznie podobny i tak jak on jest z niej absorbowany przez organizmy żywe które używają go do budowy zębów i kości. Różne rodzaje gleby zawierają stront w różnych izotopach np. stosunek ⁸⁷Sr do ⁸⁶Sr, jaki trafi w ten sposób do naszego organizmu odzwierciedla warunki i rodzaj gleby. Szkliwo zęba mineralizuje się w dzieciństwie, podczas gdy zębina rośnie całe życie, stąd stosunek strontu w szkliwie określa nasze dzieciństwo, a w zębinie późniejsze okresy życia. Jeśli różnice pomiędzy szkliwem a zębiną są znaczące, oznacza to, że dzieciństwo spędziliśmy gdzie indziej niż dorosłość, lub że całkowicie zmieniła się pod nami gleba, co jest mało prawdopodobne. Gdy analizowano zęby K’inich Yax K’uk’ Mo’, stwierdzono właśnie takie różnice. Gleby wokół Copán powstały z skał wulkanicznych, podczas gdy szkliwo królewskich zębów wskazywało na to, że dzieciństwo spędził w otoczeniu gleb powstałych z morskich osadów. Oznaczało to że musiał urodzić się nad brzegami Zatoki Meksykańskiej, a nie w Copàn.

Innym takim wskaźnikiem może być na przykład pomiar zawartości izotopów tlenu: jest on zawarty w wodzie, która przez całe życie wnika choćby jako deszcz. Deszcz w pobliżu oceanu jest bogatszy w izotop ¹⁸O w stosunku do ¹⁶O. Jak widać, po prostu licząc atomy, można odpowiedzieć na wiele pytań nawet wtedy, gdy kalendarz jest ukryty w pojedynczych drobinach.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.