Poznaj atom

Oswajanie promieniotwórczości: zawrotna kariera izotopu węgla 14C w archeologii

Czwartek 05 lipca 2012

Datowanie zabytków i śladów działalności człowieka jest możliwe dzięki temu, że wszystkie żywe istoty na Ziemi przyswajają i utrzymują za życia w organizmie stały poziom radioaktywnego izotopu węgla. Zjawisko naturalnej promieniotwórczości towarzyszy nam na każdym kroku. Dzięki jego poznaniu możemy oznaczyć wiek utworów geologicznych, biologicznych albo zabytków ludzkich. Trudno dziś wyobrazić sobie archeologię bez jądrowych metod datowania, w szczególności najbardziej znanej metody radiowęglowej.

Nobel z chemii i... archeologii

Datowanie jądrowe pozwala określić wiek bezwzględny próbek geologicznych i archeologicznych na podstawie ich promieniotwórczości, składu izotopowego lub śladów promieniowania jądrowego. Opierają się na określeniu proporcji trwałych i nietrwałych izotopów wybranych pierwiastków. Do takich metod datowania należy metoda radiowęglowa, opracowana w 1949 r. przez amerykańskiego chemika Williarda Libby’ego. Polega na określeniu proporcji pomiędzy izotopem 14C a izotopami trwałymi 12C oraz 13C. Libby otrzymał za swoje prace w 1960 roku nagrodę Nobla
w dziedzinie chemii. Jej szczególne znaczenie wynika z faktu, że pozwala datować materiały organiczne, jest więc szczególnie przydatna w archeologii. W środowisku archeologów żartuje się niekiedy nawet, że tak naprawdę nagroda dla Libby’ego, to pierwszy i jedyny dotychczas Nobel w dziedzinie archeologii.

Kolejka do datowania

Najnowocześniejsze w Polsce laboratorium do datowań radiowęglowych, wykorzystujące technikę spektrometrii masowej (AMS), wykonało w ciągu 10 lat istnienia (od 2002 r.) ponad 40 tys. datowań 14C. Zainteresowanie datowaniem w laboratorium przy Uniwersytecie Adama Mickiewicza w Poznaniu jest tak duże, że po złożeniu zamówienia na wynik trzeba czekać nawet 6 miesięcy. Metoda 14C kojarzy się głównie z archeologią, ale próbki przysyłają także historycy sztuki, geolodzy, geomorfolodzy, paleoklimatolodzy, paleobotanicy. Oznaczenia 14C zamawiają ponadto laboratoria biochemiczne i przemysł spożywczy. Zdarzają się i amatorzy, zainteresowani historią swoich małych ojczyzn.
Warto zaznaczyć, że pierwsze polskie próby datowania metodą 14C podjęto już w latach 1950-1952 w Poznaniu, a pierwsze laboratorium powstało na początku lat 60. w Gdańsku. Dziś działają cenione w Europie i na świecie laboratoria w Gliwicach, Poznaniu, Skale k. Krakowa, Krakowie i Łodzi.

Kosmiczne pochodzenie 14C

Izotopy węgla 14C powstają w górnych warstwach atmosfery. Wchodzące w skład promieniowania kosmicznego cząstki zderzają się z atomami w atmosferze ziemskiej powodując reakcje jądrowe. W wyniku tych reakcji uwalniane są neutrony i protony, które także oddziaływują z jądrami gazów atmosferycznych. W jednej z takich reakcji niskoenergetyczne neutrony zderzają się z atomami azotu 14N czego efektem jest 14C, nietrwały izotop węgla o okresie połowicznego rozpadu wynoszącym 5730 lat. Łączy się on z tlenem tworząc dwutlenek węgla CO2. Podobnie, jak „zwyczajny” dwutlenek węgla z trwałymi izotopami węgla 12C i 13C, radioaktywny dwutlenek węgla krąży w atmosferze, przenika do wód oceanów i jest wchłaniany – wdychany i zjadany - przez żywe organizmy, rośliny i zwierzęta. Proporcja 14C do 12C i 13C w żywych organizmach utrzymuje się na stałym poziomie. Kiedy jednak organizm umiera, przestaje absorbować radioaktywny izotop węgla z otoczenia i wówczas jego ilość zmniejsza się z szybkością równą wartości okresu rozpadu połowicznego. Zmniejsza się też tym samym jego ilość w stosunku do trwałych izotopów węgla. Właśnie ta proporcja podlega pomiarowi i jej obliczenie pozwala określić, kiedy nastąpiła śmierć organizmu.

Wiek radiowęglowy, wiek kalendarzowy

Ustalenie proporcji izotopów w próbce może się odbywać poprzez pomiar radioaktywności – zarejestrowanie liczby rozpadów 14C w czasie eksperymentu, lub poprzez policzenie masy poszczególnych izotopów 14C w próbce. Ta druga metoda oparta na wspomnianej technice spektrometrii masowej (AMS) jest znacznie szybsza, wymaga mniejszych próbek (co ma szczególne znaczenie w przypadku cennych zabytków) i dokładniejsza, ale też znacznie droższa.

Uzyskany w ten sposób wiek próbki nie jest jeszcze jednoznaczny z wiekiem kalendarzowym. Dzieje się tak dlatego, że w przeszłości zmieniało się nasilenie promieniowania kosmicznego. Tym samym różna była też „produkcja” izotopu 14C w atmosferze i w różnej proporcji do izotopów trwałych akumulował się on w organizmach żywych. Oznaczenia uzyskane w laboratorium można określić zatem jako wiek radiowęglowy, który wymaga przeliczenia na wiek kalendarzowy. Jest to możliwe dzięki wydatowaniu metodą radiowęglową próbek o znanym wieku „kalendarzowym”. Wykorzystano w tym celu sekwencją dendrochronologiczną – zapisu sekwencji rocznych przyrostów słojów drzew sięgającej ponad 23 tys. lat w przeszłość. Różnica pomiędzy wiekiem kalendarzowym i radiowęglowym pozwoliła na skonstruowanie tzw. krzywych kalibracji datowań radiowęglowych. W wyniku kalibracji otrzymujemy zakres czasowy w którym dopiero, z określonym statystycznie prawdopodobieństwem, zawiera się prawdziwy wiek próbki.

Warto wiedzieć:

  • obecnie proporcja izotopu 14C do izotopu 12C w atmosferze wynosi 1 do 1012 (jeden do biliona); w atmosferze jest ok. 98,8% 14C i 1,1% izotopu 13C
  • okres połowicznego rozpadu węgla 14C wynosi 5 730 lat (+/- 40); po tym okresie z początkowej ich liczby w próbce zostanie połowa, a odpowiednio po 11 460 lat - jedna czwarta, itd. Po 50 000 lat zostanie 0,24% początkowej ilości atomów 14C, zbyt mała do dokładnego datowania.
  • w 1g węgla jest ok. 6x106 atomów 14C, co minutę rozpada się 14 atomów; produktem rozpadu jest 14N
  • koszt datowania metodami zliczającymi radioaktywność próbki to ok. 500 zł plus VAT (np. oferowane przez laboratorium w Gliwicach); cena za datowanie techniką spektroskopii masowej to ok. 1 300 zł plus VAT.
  • do 6 miesięcy trzeba czekać w kolejce na datowanie metodą AMS w laboratorium poznańskim; w ciągu 10 lat istnienia laboratorium wykonało ponad 40 tys. datowań 14C. 
Facebook