Određivanje starosti metodom 14C

Kategorija

Zaštita okoliša

Usluge raznih namjena

Radioaktivni raspad ¹⁴C kao osnova za određivanje starosti

Uvod

Određivanje starosti metodom radioaktivnog izotopa ugljika, ¹⁴C, je vrlo pogodna metoda za apsolutno datiranje materijala organskog porijekla starosti do oko 60 000 godina. U živim bićima uspostavljena je ravnoteža između gubitka ¹⁴C uslijed radioaktivnog raspada i nadoknađivanja iz atmosfere. Nakon smrti organizma prestaje i izmjena tvari, pa se koncentracija ¹⁴C smanjuje radioaktivnim raspadom te je moguće odrediti koliko je vremena proteklo od smrti organizma. Zbog niske aktivnosti ¹⁴C u uzorcima kojima se određuje starost, te niske energije elektrona koji nastaje radioaktivnim raspadom ¹⁴C, potrebne su posebne tehnike obrade i pripreme uzoraka u oblik pogodan za mjerenje, te posebne osjetljive tehnike mjerenja.

Izotop ugljika ¹⁴C

Ugljik se u prirodi nalazi u obliku 3 izotopa, ¹²C (98,9 %), ¹³C (1,1 %) i ¹⁴C (10^–10%), od kojih je jedino ¹⁴C radioaktivan. ¹⁴C nastaje u atmosferi međudjelovanjem neutrona iz kozmičkog zračenja i jezgara dušika.

¹⁴N + n → p + ¹⁴C

Nastali ¹⁴C atomi oksidiraju u ¹⁴CO₂, koji se s oksidima drugih ugljikovih izotopa jednoliko raspodjeljuje po cijeloj atmosferi, hidrosferi i biosferi, te tako ulazi u životni ciklus biljaka, životinja i ljudi.

Jezgra izotopa ¹⁴C raspada se β-raspadom, pri čemu se emitira elektron maksimalne energije 156 keV, a dio energije odnosi antineutrino:

¹⁴C → ¹⁴N + β^- + ν

Vrijeme poluraspada izotopa ¹⁴C je 5730 godina, što znači da je najveća moguća starost koju je moguće odrediti ovom metodom oko 60 000 godina.

Izotop ¹⁴C otkrio je 1947. Willard F. Libby u Chicagu. Libby je pokazao da izotop ¹⁴C nastaje u gornjim slojevima atmosfere i da se nalazi ravnomjerno raspodijeljen u suvremenom biološkom materijalu. Uočio je i da se ta činjenica jednolike raspodjele može iskoristiti za određivanje starosti biološkog/organskog materijala u arheologiji. Tijekom prve tri godine od otkrića Libby i suradnici izveli su prva mjerenja na suvremenim i povijesnim uzorcima (Libby 1955). Potvrda mogućnosti datiranja izazvala je praktički odmah veliko zanimanje, pa su se tijekom slijedećih godina osnovali mnogi ¹⁴C laboratoriji, a njihova mnogobrojnost pridonijela je različitim poboljšanjima sustava mjerenja, pripreme uzoraka, i obrade rezultata. Godine 1960. Libby je dobio Nobelovu nagradu za kemiju za razvoj metode određivanja starosti pomoću izotopa ¹⁴C.

Metoda određivanja starosti radioaktivnim ugljikom ¹⁴C

Osnovna ideja metode određivanja starosti radioaktivnim ugljikom ¹⁴C (kraće: datiranje metodom ¹⁴C) zasniva se na činjenici da je sav organski materijal u biosferi "obilježen" radioaktivnim izotopom ¹⁴C, te da je koncentracija ¹⁴C u živom organizmu stalna jer je stalnom izmjenom tvari uspostavljena ravnoteža između gubitka uslijed radioaktivnog raspada i unosa novih ¹⁴C atoma.

A_t = A_t₌₀e^-λt

gdje A_t=0 predstavlja koncentraciju aktivnosti ¹⁴C u organizmu u trenutku smrti, a A_t u trenutku kada mjerimo aktivnost, tj. nakon vremena t koje je proteklo od trenutka kada je uzorak bio odstranjen iz dinamičkog rezervoara ugljika. Oznaka λ predstavlja konstantu radioaktivnog raspada za ¹⁴C:

λ = ln2 / T_1/2

gdje je T_1/2 vrijeme poluraspada ¹⁴C.

Nakon smrti organizma, odnosno nakon prestanka izmjene tvari, prestaje nadoknađivanje ¹⁴C, te se njegova koncentracija aktivnosti smanjuje prema zakonu radioaktivnog raspada. Mjerenjem preostale aktivnosti ¹⁴C u nekom materijalu organskog porijekla može se prema tome odrediti koliko je vremena proteklo od trenutka kad je nastupila smrt, tj. kad je prestala izmjena tvari. Kako bi se iz izmjerene ¹⁴C aktivnosti u ostacima nekoć živog biološkog organizma dobila informacija o stvarnim godinama starosti, potrebno je poznavati brzinu stvaranja ¹⁴C u atmosferi, odnosno njene promjene tijekom posljednjih 60 000 godina, kao i raspodjelu ugljikovih izotopa u biosferi.

Na točnost rezultata datiranja metodom ¹⁴C utječu: a) proces izotopne frakcionacije i b) varijacije koncentracije aktivnosti ¹⁴C u atmosferi u prošlosti.

Vrijednosti 13C u prirodi i njihovo značenje za datiranje metodom 14C. Preuzeto iz Stuiver & Polach, Radiocarbon, 19 (1977): 355-363.

a) Naime, zbog pojave izotopne frakcionacije, do koje dolazi zbog različite brzine kemijskih reakcija i fizikalnih procesa za različite izotope istog elementa, koncentracija aktivnosti ¹⁴C u atmosferi nije sasvim jednaka kao u biljkama (biosferi), niti je jednaka u svim biološkim materijalima, ali se uz pomoć poznavanja koncentracije stabilnog izotopa ugljika ¹³C u materijalima koji se datiraju može provesti normalizacija ¹⁴C starosti. Takva korekcija/normalizacija naziva se "delta ¹³C korekcija" i obavezno se provodi prilikom izračunavanja starosti iz mjernih podataka (Mook i van der Plicht, 1999).

b) U atmosferi i biosferi uspostavila se tijekom godina ravnotežna koncentracija aktivnosti izotopa ¹⁴C, tj. brzina raspadanja izotopa jednaka je brzini stvaranja. Pažljiva mjerenja pokazuju da tok kozmičkog zračenja nije bio jednolik u prošlosti (zanima nas samo posljednjih 60 000 godina povijesti Zemlje), pa ni brzina stvaranja ¹⁴C u atmosferi nije bila uvijek jednaka, što znači da ni ravnotežna koncentracija ¹⁴C u trenutku smrti živih bića nije bila uvijek jednaka. Stoga je potrebno nekom nezavisnom metodom odrediti promjene ravnotežne koncentracije ¹⁴C u cijelom razdoblju koje pokriva ova metoda.

Drvo sa svojim godovima, koji se stvaraju kao odgovor stabla na godišnji ciklus, predstavlja idealan materijal za datiranje, kao i za provjeru starosti koja je određena ¹⁴C metodom. U prvoj polovici dvadesetog stoljeća razvila se dendrokronologija, ili metoda određivanja apsolutne starosti mjerenjem godova drveta i njihovim međusobnim odnosima. Kombinacijom dendrokronologije i ¹⁴C metode datiranja istih uzoraka drva ustanovljene su tako varijacije u prirodnoj produkciji ¹⁴C u atmosferi.

Usporedbom preciznih mjerenja ¹⁴C aktivnosti godova drveta s njihovom točno poznatom dendrokronološkom starošću dobivene su tzv. kalibracijske krivulje.

Primjer kalibracijske krivulje

Na apscisu se nanosi dendrokronološka starost u kalendarskim godinama, a na ordinatu konvencijska ¹⁴C starost u godinama BP. Budući da godišnji priraštaj drveta ovisi prvenstveno o klimatskim karakteristikama regije, idealno bi bilo za svako karakteristično područje imati posebne kalibracijske krivulje. Kako takvi regionalni podaci zasad ne postoje, koristi se njemačka kronologija zasnovana na hrastu. Kalibracijske krivulje danas su integrirane u određenim računalnim programima, kao što je program OxCal (Bronk Ramsey 2017), a trenutno su važeće krivulje IntCal13 (Reimer et al., 2013).

Metodom ¹⁴C uspješno se mogu datirati različiti organski materijali, kao što su drvo, drveni ugljen, treset, bilje, žito, tkanine, kosti, stari do 60 000 godina. Treba naglasiti da se metodom ¹⁴C određuje starost materijala, a ne predmeta koji je od tog materijala izrađen. Moguće je odrediti starost i nekim karbonatima (sige, sedre, karbonatni sedimenti) u kojima je barem dio ugljika porijeklom iz atmosfere. **

U Laboratoriju za mjerenje niskih radioaktivnosti Instituta "Ruđer Bošković" mjerenja ¹⁴C su se od 1968. do 2003. obavljala plinskim proporcionalnim brojačem, nakon čega je ta metoda napuštena. Od 2001. godine aktivnost ¹⁴C se mjeri tekućinskim scintilacijskim brojačem Quantulus 1220, a od 2010. je uvedena i metoda pripreme grafita za AMS mjerenja, koja se obavljaju u inozemstvu.

Potrebne količine pojedinih vrsta uzoraka za LSC i AMS analize mogu se naći ovdje

Uzorci-potrebna kolicina-LSC-AMS (115,2 kB)