Zde na Zemi se uhlík nachází v atmosféře, půdě, oceánech a v každém živém tvoru. Uhlík 12 – aka. C-12, tak pojmenovaný, protože má atomovou hmotnost 12 – je nejběžnějším izotopem, ale v žádném případě není jediným. Uhlík 14 je další, izotop uhlíku, který vzniká, když je dusík (N-14) bombardován kosmickým zářením.
Tento proces způsobí, že proton je vytlačen neutronem, čímž se atomy dusíku účinně přemění na izotop uhlíku – známý jako „radiokarbon“. Je přirozeně radioaktivní a nestabilní, a proto se po určitou dobu samovolně rozpadne zpět na N-14. Díky této vlastnosti je zvláště užitečný v procesu známém jako „radiokarbonové datování“ nebo zkráceně uhlíkové datování.
Původ radiokarbonu:
Radiokarbon se dostává do biosféry přirozenými procesy, jako je jídlo a dýchání. Rostliny a živočichové absorbují C-12 i C-14 v průběhu svého přirozeného života jednoduše tím, že provádějí tyto základní funkce. Když zemřou, přestanou je konzumovat a izotop C-14 se začne vracet zpět do svého dusíkového stavu exponenciální rychlostí kvůli jeho radioaktivnímu rozpadu.
Porovnání zbývajícího C-14 vzorku s tím očekávaným od atmosférického C-14 umožňuje odhadnout stáří vzorku. Vědci navíc vědí, že poločas rozpadu radiokarbonu je 5 730 let. To znamená, že vzorku radioaktivního uhlíku trvá 5 730 let, než se polovina z něj rozpadne zpět na dusík.
Po asi 10 poločasech rozpadu se množství zbylého radiokarbonu stává příliš nepatrným na měření, a proto tato technika není příliš spolehlivá pro datování vzorků, které zemřely před více než 60 000 lety – tj. během pozdního středního paleolitu (aka. starší doby kamenné). doba.
Historie vývoje:
Experimenty, které by nakonec vedly k uhlíkovému datování, začaly ve 39. letech 20. století díky úsilí společnosti Radiační laboratoř na University of California, Berkeley. V té době se výzkumníci pokoušeli zjistit, zda některý z prvků společných pro organickou hmotu má izotopy s dostatečně dlouhými poločasy, aby byly cenné v biomedicínském výzkumu.
V roce 1940 byl stanoven poločas rozpadu uhlíku 14 a také mechanismus, kterým byl vytvořen (pomalé neutrony interagující s dusíkem v atmosféře). To bylo v rozporu s předchozí prací, která tvrdila, že se jedná o produkt deuteria (H² nebo těžkého vodíku) a uhlíku 13.
Atom vodíku se skládá z jednoho protonu a jednoho elektronu, ale jeho těžká forma zvaná deuterium obsahuje také neutron. Poděkování: NASA/GFSC
Willard Libby – chemik a absolvent Berkeley – četl během 2. světové války článek od W. E. Danfortha a S. A. Korffa (zveřejněný v roce 1939), který předpovídal, že C 14 bude vytvořen v atmosféře v důsledku interakcí mezi dusíku a kosmického záření. Z toho Libby přišla s nápadem měřit rozpad C 14 jako metodu datování organického materiálu.
V roce 1945 se Libby přestěhovala na University of Chicago, kde zahájil práci, která vedla k rozvoji radiokarbonového datování. V roce 1946 publikoval článek, ve kterém spekuloval, že C 14 by mohl existovat v organickém materiálu spolu s jinými izotopy uhlíku.
Po provedení experimentů, které měřily C-14 v metanu získaném ze vzorků odpadních vod, byli Libby a jeho kolegové schopni prokázat, že organická hmota obsahuje radioaktivní C-14. Následovaly pokusy zahrnující vzorky dřeva pro hrobky dvou egyptských králů, u nichž byl znám věk.
Jejich výsledky se ukázaly jako přesné, s přihlédnutím k malému rozsahu chyb, a byly publikováno v roce 1949 v deníkuVěda. V roce 1960 získala Libby za tuto práci Nobelovu cenu za chemii. Od té doby se uhlíkové datování používá v mnoha oblastech vědy a umožňuje datování klíčových přechodů v pravěku.
Diagram ukazující, jak funguje radiokarbonové datování. Kredit: howstuffworks.com
Limity Carbon Dating:
Uhlíkové datování zůstává omezené z mnoha důvodů. Za prvé, existuje předpoklad, že poměr C-12 k C-14 v atmosféře zůstal konstantní, i když ve skutečnosti může být poměr ovlivněn řadou faktorů. Například rychlost produkce C-14 v atmosféře, která je zase ovlivněna množstvím kosmického záření pronikajícího do zemské atmosféry.
To je samo o sobě ovlivněno věcmi, jako je magnetické pole Země, které odklání kosmické záření. Kromě toho přesná měření provedená za posledních 140 let ukázala stálý pokles síly magnetického pole Země. To znamená, že došlo k trvalému nárůstu produkce radioaktivního uhlíku (což by zvýšilo poměr).
Dalším omezením je, že tuto techniku lze použít pouze na organický materiál, jako je kost, maso nebo dřevo, a nelze ji použít přímo k datování hornin. Navíc přidání uhlíku 12 sníží dávku, což vede k nepřesnému posouzení věku vzorku.
Zde vstupují do hry antropogenní faktory. Vzhledem k tomu, že fosilní paliva nemají žádný obsah uhlíku 14, spalování benzínu, ropy a dalších uhlovodíků – a ve stále větším a větším množství v průběhu minulého století a půl – zředilo obsah C-14 v atmosféře.
Na druhou stranu atmosférické testování jaderných zbraní během 50. a 60. let pravděpodobně zvýšilo obsah uhlíku 14 v atmosféře. Ve skutečnosti byl proveden výzkum, který naznačuje, že jaderné testy mohly za tuto dobu zdvojnásobit koncentraci C-14 ve srovnání s přirozenou produkcí kosmického záření.
Přesto zůstává nejpřesnějším způsobem datování, který vědecká komunita dosud objevila. Dokud nebude k dispozici jiná metoda – a ta, která produkuje menší chyby – zůstane metodou volby pro archeologii, paleontologii a další odvětví vědeckého výzkumu.
O Carbon Dating for Universe Today jsme napsali mnoho článků. Zde je Jak poznáme, jak je všechno staré? , Jak starý je vesmír? , Jak stará je sluneční soustava? , Jak dlouho jsou lidé na Zemi?
Pokud chcete více informací o Carbon Dating, podívejte se Virtuální datování NASA: Isochron a radiokarbon – Geologické laboratoře online a zde je odkaz na USGS Radiometric Seznamka .
Nahráli jsme také celou epizodu Astronomy Cast o tom, jak funguje uhlíkové datování. Zde je 122. díl: Jak starý je vesmír? a Epizoda 164: Uvnitř atomu .
Prameny: