Određivanje starosti metodom 14C

Radioaktivni raspad 14C

Radioaktivni raspad 14C

Osnove

Metoda datiranja pomoću radioaktivnog izotopa ugljika se razvila na temelju studija utjecaja kozmičkog zračenja na Zemlju i njezinu atmosferu. Radioaktivni izotop ugljika (14C) se stvara u gornjim slojevima atmosfere uhvatom neutrona iz kozmičkog zračenja na atom dušika prema reakciji:

14N + n  →  p + 14C

14C oksidira u 14CO2 i raspoređuje se po cijeloj atmosferi. Omjer koncentracija izotopa ugljika iznosi 12C : 13C : 14C i iznosi 1012 : 1010 : 1. Od ovih izotopa jedino je 14C radioaktivan, pa se njegovi nuklidi raspadaju prema reakciji:

 14C  → 14N + β- + ν

Energija reakcije iznosi 156 keV.

Budući da se raspadnuti atomi 14C stalno nadoknađuju onima stvorenim u atmosferi, gdje je produkcija konstantna tijekom milenija, specifična aktivnosti 14C u prirodi i u živućim organizmima je također konstantna. Specifična prirodna aktivnost u atmosferskom CO2, u oceanskom ugljiku i u živim organizmima (biljke i životinje) je:

A =(13,56±0,70) dpm/g ugljika

ili 

A =(0,226±0,012) Bq/g ugljika,

a u zraku je 0,037 Bq/m3 =1,0810-12 Ci/m3, budući da 1 m3 zraka sadrži 0,177 g ugljika kod normalnih uvjeta.

Ukupna aktivnost 14C na Zemlji se procjenjuje na 140·1015 Bq.

Biljke asimiliraju 14C putem fotosinteze, a životinje se hrane biljkama. Na taj način sva živa bića zadržavaju istu koncentraciju aktivnosti 14C tijekom svog života. 14CO2 se poput običnog CO2 otapa u oceanima, te se nalazi u planktonu, koraljima i školjkama. Na taj način sva živa bića nadoknađuju 14C tijekom svog života. Nakon smrti organizma prestaje nadoknađivanje 14C i njegova koncentracija se počinje smanjivati u skladu s eksponencijalnim zakonom radioaktivnog raspada: 

A  = A  · e-λt

gdje  A   predstavlja koncentraciju aktivnosti 14C u organizmu u času smrti, a  A  u času kada mjerimo aktivnost, tj. nakon vremena  koje je proteklo od časa kada je uzorak bio odstranjen iz dinamičkog rezervoara ugljika. Oznaka λ predstavlja radioaktivnu konstantu za 14C: 

λ = ln2 / T1/2

 gdje je T1/2 vrijeme poluraspada 14C (T1/2 = 5730 years). Starost uzorka se tada može izraziti prema relaciji:

t  =  1/λ · ln( A /A8033 · ln( A /A)

Prema međunarodno usvojenoj konvenciji 14C starost se izražava u godinama prije sadašnjosti (BP - Before Present), pri čemu se kao početna uzima godina 1950. Također, dogovoreno je da će se kod računanja starosti upotrebljavati "staro", Libbyjevo vijeme poluraspada od 5560 godina.

Rezultat se može prikazati kao postotak prirodne specifične aktivnosti 14 C u atmosferi (A) kao

a14C = A/A   · 100   pMC 

(pMC= percent of modern carbon , postotak suvremenog ugljika).  Odstupanja izmjerene koncenrtracije aktivnosti od prirodne mogu se prikazati u promilima tzv. δ-vrijednostima:

δ14C = (A-A )/A  · 1000 ‰

Uzorci pogodni za  14C datiranje su prvenstveno oni koji sadrže organski ugljik: drvo, drveni ugljen, treset, organsko blato, kosti, koža, kosa, rogovi, organsko tlo, žito i sl. Karbonati koji sadrže ugljik koji je dio prirodnog ciklusa mogu se također datirati: školjke, karbonatni sedimenti kao sige (stalaktiti, stalagmiti), sedra, jezerski sediment, te otopljeni bikarbonati u vodi.

Nekoliko faktora utječe na točnost 14C datiranja: (a) proces izotopne izmjene, tj. frakcioniranje ugljikovih atoma, (b) varijacije koncentracije 14C aktivnosti u atmosferi u prošlosti, te (c) kontaminacija uzoraka suvremenim ili starim ugljikom 14C. 

Mjerenje aktivnosti 14C zahtijeva vrlo osjetljive tehnike: Koriste se plinski proporcionalni brojači (GPC), tekućinski scintilacijski brojači  (LSC) ili akceleratori (AMS - akceleratorska masena spektroskopija). Maksimalna starost koja se može izmjeriti GPC metodom je oko 40 000 godina, LSC metodom 50 000 godina, a AMS metodom nešto više od 60 000 godina. Najmanja količina uzorka potrebna za mjerenje GPC ili LSC tehnikama iznosi nekoliko grama, dok je za mjerenje AMS metodom dovoljno samo nekoliko miligrama.

Glavni časopis u kojem se tiskaju članci koji se odnose na 14C i liste rezultata mjerenja starosti je RADIOCARBON. Dodatne informacije o datiranju metodom radioaktivnosg ugljika mogu se naći na Internetskim stranicama Radiocarbon WEB info.

Izotopna frakcionacija

Prelazak ugljika iz jednog u drugi rezervoar vezan je uz izotopnu frakcionaciju. Veličina tog efekta se može opisati mjerenjem omjera stabilnih izotopa 13C/12C. Na taj način, mjerenjem vrijednosti δ13C možemo korigirati sadržaj izotopa 14C. Prema teorijskoj pretpostavci, frakcionacija izotopa 14C je dvostruko veća od frakcionacije izotopa  13C. Rezultat za relativno odstupanje od standardne aktivnosti, korigiran za 13C je:

Δ14C = δ14C  - 2 · (δ13C+25)

Prema usvojenoj konvenciji, vrijednost δ13C=-25‰ u odnosu na PDB standard nema korekcije (PDB = međunarodno usvojeni standard, rostrum fosila Belemnitella americana iz formacije Pee Dee u Južnoj Karolini, SAD).

Metode mjerenja

Općenito su u upotrebi tri osnovne tehnike mjerenja aktivnosti izotopa  14C u raznim materijalima: mjerenje plinskim proporcionalnim brojačem, tekućinskim scinitilacijskim brojačem, te akceleratorskom masenom spektroskopijom. Osnovna karakteristika svih ovih metoda je da su destruktivne, tj. uzorak čiju se starost želi odrediti treba spaliti i dalje pripremiti u obliku pogodnom za mjerenje aktivnosti 14 C.

Radiometrijske metode se zasnivaju na brojanju pojedinačnih raspada radioaktivnog izotopa 14C. Potrebna količina ugljika ovisi o veličini i tipu brojača, ali nije manja od 5 g, s time da valja uzeti u obzir činjenicu da ugljik čini oko trećinu mase organskog materijala. Za datiranje kostiju treba uzeti daleko veću količinu uzorka, jer iz njih treba ekstrahirati organski dio (kolagen), čiji se udio smanjuje kod starih kostiju. Poseban problem radiometrijskih mjerenja predstavlja utjecaj zračenja okoline i kozmičkog zračenja, koji zasjenjuje detekciju radioaktivnog raspada atoma 14C. Ovo, tzv. osnovno zračenje, valja reducirati što je više moguće primjenom tzv. pasivnih i aktivnih štitova. Pasivni štit se sastoji od velike količine olova koji reducira utjecaj kozmičkih zraka, odnosno parafina koji smanjuje utjecaj neutronskog zračenja. Radi smanjenja utjecaja kozmičkog zračenja, laboratoriji se obično smještaju u suterenske ili podrumske prostorije. Aktivni štit se sastoji od dodatnih detektora koji registriraju prolaz kozmičkog zračenja i koji rade u tzv. antikoincidentnoj tehnici. Ako oba detektora, onaj koji mjeri aktivnost 14C u uzorku i ovaj zaštitni, istovremeno detektiraju neki impuls, onda to znači da on potječe od osnovnog zračenja, a ne od raspada 14C atoma, pa se takovi impulsi odbacuju.

Proporcionalni brojač (GPC - gas proportional counter): Kod mjerenja 14C aktivnosti plinskim proporcionalnim brojačem, potrebno je određenim kemijskim postupcima dobiti neki plin koji sadrži sav ugljik iz uzorka, a istovremeno se može koristiti kao radni plin u brojaču. Ovisno o laboratoriju, kao brojački plin upotrebljavaju se ugljični dioksid, metan, acetilen ili benzen. Proporcionalni brojač se sastoji obično od cilindrične katode i anode u obliku tanke centralne žice. Između njih je razlika potencijala od nekoliko tisuća volti. β-čestice nastale raspadom ugljika koji je sastavni dio molekula brojačkog plina ioniziraju na svom putu molekule plina, ostavljajući za sobom trag koji se sastoji od pozitivnih iona i elektrona. Elektroni se ubrzavaju prema anodi i u njenoj blizini, gdje je električno polje najjače, proizvode lavine parova ion-elektron , koji se sakupljaju na anodi, proizvodeći električne impulse. Svaki β‑raspad stvori jedan impuls i on se detektira elektroničkim putem.

Tekućinski scintilacijski brojač (LSC - liquid scintillation counter): Za mjerenje tekućinskim scinitlacijskim brojačem uzorak se kemijskim postupcima pretvara u benzen, C6H6, koji je vrlo pogodan materijal, budući da je 96% njegovog sastava ugljik. Scintilacijski detektori zasnivaju se na činjenici da čestice ionizacijskog zračenja, usporavajući se ili zaustavljajući se u određenim organskim spojevima, nazvanim scintilatorima, uzrokuju pulseve svjetlosnih fotona. Stoga se benzenu dodaje manja količina organskog scintilatora, kako bismo dobili scintilacijsku otopinu, tzv. koktel. Budući da je 14C sastavni dio uzorka, elektroni nastali b-raspadom ekscitiraju njegove molekule. Ekscitacijska energija se prenosi od jedne molekule do druge, sve dok je ne zarobi molekula scintilatora, prilikom čega se emitira svjetlo (foton). Broj emitiranih fotona proporcionalan je energiji ionizacije. Dobiveni svjetlosni fotoni se na fotokatodi pretvaraju u elektrone (fotoelektrički efekt). Fotomultiplikator ubrzava primarne elektrone s foto-katode i pri tom se njihov broj umnožava. Na izlazu dobijemo snažan električni puls proporcionalan amplitudi svjetla (scintilacija), dakle energiji upadne čestice.

Akceleratorska masena spektroskopija (AMS - accererator mas spectrometry): Nasuprot radiometrijskim tehnikama, umjesto pojedinačnih raspada atoma 14C, akceleratorska masena spektrometrija mjeri omjer atoma 14C izotopa u odnosu na najzastupljeniji izotop ugljika,  12C. Kod ove tehnike na brojanje ne utječe kozmičko zračenje koje je glavni izvor smetnji kod plinskih i tekućinskih brojača. Akceleratorskom tehnikom se može odrediti starost daleko manje količine uzorka, sve do miligrama ili čak mikrograma (npr. zrno žita, komadić tkanine, dio lista papira), a granična starost koju se može dostići ovom metodom iznosi do 60 000 godina. Dodatne prednosti ove metode su kratko vrijeme mjerenja i manja pogreška, no ona je daleko skuplja i zahtijeva rad na skupim nuklearnim mašinama.

Uzorak se kemijskim putem prevodi u grafit, koji predstavlja metu koja se izlaže bombardiranju česticama iz akceleratora. Ionizirani atomi se zatim ubrzavaju u jakom električnom polju. Prolaskom kroz magnet razdvajaju se atomi mase 14 od atoma mase 12 i 13, nakon čega se u posebno konstruiranom detektoru određuje omjer 14C/12C za svaki uzorak.

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.

Lista rezultata LNA tiskana u časopisu Radiocarbon

D.Srdoč, B.Breyer, A.Sliepčević: Ruđer Bošković Institute Radiocarbon Measurements I; Radiocarbon, 13 (1971), p.135-140.

D.Srdoč, A.Sliepčević, J.Planinić, B.Obelić, B.Breyer: Ruđer Bošković Institute Radiocarbon Measurements II; Radiocarbon, 15 (1973), p.435-441.

D.Srdoč, A.Sliepčević, J.Planinić: Ruđer Bošković Institute Radiocarbon Measurement III; Radiocarbon, 17 (1975), p.149-155.

D.Srdoč, A.Sliepčević, B.Obelić, N.Horvatinčić: Ruđer Bošković Institute Radiocarbon Measurements IV; Radiocarbon, 19 (1977), p.465-475.

D.Srdoč, A.Sliepčević, B.Obelić, N.Horvatinčić: Ruđer Bošković Institute Radiocarbon Measurements V; Radiocarbon, 21 (1979), p.131-137.

D.Srdoč, A.Sliepčević, B.Obelić, N.Horvatinčić: Ruđer Bošković Institute Radiocarbon Measurements VI; Radiocarbon, 23 (1981), p.410-421.

D.Srdoč, N.Horvatinčić, B.Obelić, A.Sliepčević: Ruđer Bošković Institute Radiocarbon Measurements VII; Radiocarbon, 24 (1982), p.325-371.

D.Srdoč, B.Obelić, N.Horvatinčić, I.Krajcar, A.Sliepčević: Ruđer Bošković Institute Radiocarbon Measurements VIII; Radiocarbon, 26 (1984), p.449-460.

D.Srdoč, N.Horvatinčić, B.Obelić, I.Krajcar Bronić, A.Sliepčević: Ruđer Bošković Institute Radiocarbon Measurements IX; Radiocarbon, 29 (1987), p.115-134.

D.Srdoč, B.Obelić, A.Sliepčević, I.Krajcar Bronić, N.Horvatinčić:Ruđer Bošković Institute Radiocarbon Measurements X; Radiocarbon, 29 (1987), p.135-147.

D.Srdoč, B.Obelić, N.Horvatinčić, I.Krajcar Bronić, A.Sliepčević: Ruđer Bošković Institute Radiocarbon Measurements XI; Radiocarbon, 31 (1989), p.85-98.

D.Srdoč,N.Horvatinčić, I.Krajcar Bronić, B.Obelić, A.Sliepčević: Rudjer Bošković Institute Radiocarbon Measurements XII; Radiocarbon, 34 (1) (1992), p.155-175.

B.Obelić, N.Horvatinčić, D.Srdoč, I.Krajcar Bronić, A.Sliepčević, S.Grgić: Ruđer Bošković Institute Radiocarbon Measurements XIII; Radiocarbon, 36 (2) (1994), p.303-324.

N.Horvatinčić, B.Obelić, I.Krajcar Bronić, D.Srdoč, R.Čalić: Rudjer Bošković Institute Radiocarbon Measurements XIV, Radiocarbon 41 (1999), p.199-214.

B.Obelić, I.Krajcar Bronić, N.Horvatinčić: Rudjer Bošković Institute radiocarbon measurements XV; Radiocarbon, 44, No.2 (2002), p.601-630.

B.Obelić, I.Krajcar Bronić, N.Horvatinčić, J.Barešić, A.Rajtarić: Rudjer Bošković Institute Radiocarbon Measurements XVI; Radiocarbon, 44, No.2 (2011), p.395-417.

Obrazac za uslugu

LNA-OB 4.4_1-0-2 Prilog zahtjevu za ispitivanje_C-14 41,91 kB / vnd.openxmlformats-officedocument.wordprocessingml.document

Primjer ispunjenog Priloga zahtjevu za ispitivanje

Cjenik

Cjenik 91,33 kB / pdf