Datiranje ugljikom-14

Datiranja ugljikom ¹⁴C (poznato i kao metod radiougljika) se analiziraju ciklusi transforacije radiougljika (¹⁴C), tj. količinski odnos između (radioaktivnog) ¹⁴C i ("običnog") ¹²C u ostacima organske tvari i atmosferi, koji se uzima kao direktni pokazatelj apsolutne starosti nalaza. Davno je zapaženo da u višim slojevima atmosfere kosmička radijacija oslobađa neutrone, koji bombardovanjem dušika, proizvode radiougljik (¹⁴N + neutron → ¹⁴C + proton); stoga se i ugljendioksid javlja u oblicima ¹²CO₂ i ¹⁴CO₂. Također je poznato da period poluraspadanja ¹⁴C traje 5.568 ± 30 godina. U novije vrijeme ti proračuni su izmijenjeni na 5.730 godina, što se ugrađuje kao ispravka u ranije − standardizirane − krive proračuna starosti proučavanog materijala.

Primjena

U procesu razmjene materije i energije između organizma i životne sredine, ostvaruje se prirodna ravnoteža količine ¹⁴C u atmosferi i živoj supstanci. Karakteristična brzina radioaktivne transformacije tog elementa u živoj tvari iznosi 15,6 raspadâ, po gramu, u minuti. Smrću individue organska materija se isključuje iz biociklusa, pa se (približno) svakih 5.600 godina koliéina ¹⁴C smanjuje na polovinu. Drugim riječima, odnos ¹²C : ¹⁴C mijenja se srazmjerno starosti uzorka; za prvih 5.600 godina intenzitet radioaktivnog raspadanja opadne na 7,8 raspada, po gramu u minutu, za naredni (toliki) period - na 3,9 takvih jedinica itd.

Odgovarajuáa testiranja starosti antropoloških nalaza pomoáu radioaktivnog ugljika pokazala su da mogućnost datiranja ovim metodom doseže 40.000 (prema nekiin podacima i do 70.000) godina, a preciziiost mu varira u granicama od ± 100 do ± 1 200 godina, što u najvećoj mjeri zavisi od starosti i kvaliteta, odnosno stepena očuvanosti proučavanog materijala. Također je potrebno još jednom podvući činjenicu da je ovo jedini metod direktne procjene apsolutne starosti fosilnih ostataka života na Zemlji i naglasiti njegov ogroman doprinos razbijanju minulih i savremenih zabluda o filogenetsko-evolucijskim tokovima i odnosima.

Fizička i hemijska osnova

U prirodi, ugljik postoji u dva stabilna, enradioaktivna izotopa: ugljik-12 i ugljik-13 i radioaktivni izotop, ugljik-14, poznat i kao radiougljik ili radiokarbon. Izvorna procjena (po američkom fizikalnom hemičaru Williardu Libbyju) poluživota ¹⁴C, kao što je naglašeno, od izvornih 5.568, ispravljeno je na oko 5.730 godina. Na taj način bi se moglo očekivati da se njegova koncentracija u atmosferi smanji tokom hiljada godina. Međutim, ¹⁴ C se stalno proizvodi u donjim slojevima stratosfere i gornjim troposfere djelovanjem kosmičkih zraka, koje generiraju neutrone, koji zauzvrat stvaraju ¹⁴ C kada se raspadne na dušik-14 ( ¹⁴ N) atome. Slijedeća nuklearna reakcija kreira ¹⁴C:

$n+\mathrm {^{14}_{7}N} \rightarrow \mathrm {^{14}_{6}C} +p$,

gdje n predstavlja neutron, a p proton.

Jednom nastao, ¹⁴C se brzo veže sa kisikom iz atmosfere tvoreći ugljendioksid (CO₂). Tako stvoreni ugljendioksid se oslobađa u atmosferu i rastvara u okeanu, te ulazi u biocikluse preko biljne fotosinteze. životinje jedu biljke i radiougljik se brzo distribuira u biosferu. Odnos ¹⁴C prema ¹²C je približno 1,5 dijela ¹⁴C na 10¹² parts of ¹²C. Pored toga, oko 1% ugljikovih atoma su stabilni izotop ¹³C.

Jednačina radioaktivnog raspada ¹⁴C je:

$\mathrm {~_{6}^{14}C} \rightarrow \mathrm {~_{7}^{14}N} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$

Emitiranjem beta čestica ( elektron, e⁻) i elektron antineutrino, jedan od neutrona u ¹⁴C i ¹⁴ C jezgra se vraća u stabilni (neradioaktivni) izotop.

Principi

Tokom svog svog života, biljka ili životinja razmjenjuju ugljik sa okolinom, tako da ugljik imati isti omjer ¹⁴ C biosfera kao rezervoar razmjene ugljika. Nakon smrti, prestaje dotok ¹⁴ C, ali će se ¹⁴ C u okviru svojih bioloških materijala u to vrijeme i dalje raspadati. Tako se omjer ¹⁴ C - ¹² C u ostacima postepeno smanjuje, jer se ¹⁴ C raspada po poznatoj stopi, proporcija radiougljika se može koristiti kako bi se utvrdilo koliko je prošlo od zaustavljanja razmjene datog uzorka sa atmosferskim ugljikom: u starijim uzorcima ostaje manje ¹⁴ C. Jednadžba koja opisuje raspadanje radioaktivnog izotopa je:

$N=N_{0}e^{-\lambda t}\,$,

gdje je:

• N₀ broj atoma izotopa u izvornom uzorku (u vremenu t = 0, kada je organizam od kojeg je uzet uzorak bio mrtav), a
• N je broj atoma koji je ostao nakon datog vremena t.
• λ je konstanta koja zavisi o svakom pojedinom izotopu; za dati izotop je jednaka reciprocitetu dužine poluživota radioaktivnog raspada – tj. prosjeku ili očekivanom vremenu da će dati atom, a opstati prije nego što prolazi kroz radioaktivno raspadanje. Prosječno vrijeme koje se označava sa τ, za ¹⁴C je 8.267 godina, tako da je gornja jednadžba prerađena kao:

$t=8267\cdot \ln(N_{0}/N)godina=19035\cdot \log(N_{0}/N)godina$

Pretpostavlja se da je uzorak prvobitno imao isti ¹⁴ C / ¹² C odnos kao odnos u biosferi, a vrijednost uzorka se utvrđuje neposrednim mjerenjem. Ukupni broj atoma u uzorku može se izračunati, po odnosu N ₀ , broj ¹⁴ C atoma u originalnom uzorku. Mjerenje N, broj ¹⁴ C. Aktuelni atom u uzorku, omogućava obračun t, starost uzorka, koristeći jednadžbe iznad.

Poluživot radioaktivnog izotopa (vrijeme koje je potrebno za pola uzorka da se raspadne, obično se označava sa t_1/2) je poznatiji pojam od sredine života, pa iako su jednadžbama iznad izraženi u smislu prosječnog života, to je više uobičajeno za citiranje vrijednosti ¹⁴ C poluraspada od svog života. Prosječni život i poluživot se procjenjuju po sljedećoj jednadžbi:

$T_{\frac {1}{2}}=0.693\cdot \tau$

Trenutno prihvaćena vrijednost poluživota ¹⁴C je 5.730 godina. To znači da će za 5.730 godina preostati samo jedna polovina inicijalbog ¹⁴C, a četvrina – nakon 11.460 godina, te osmina nakon 17.190 godina itd.

Putem gornjeg proračuna čini se nekoliko pretpostavki, kao što su te da je nivo ¹⁴ C. u biosferi tokom proteklog vremena ostao stalan. U stvari, nivo ¹⁴ . C u biosferi značajno se mijenja pa se vrijednosti rezultata jednadžbe iznad moraju mijenjati pomoću podataka iz drugih izvora u obliku kalibracijske krivulje, koja se detaljnije opisuje u prilozima. Za više od deset godina nakon inicijalnog rada, prihvaćene vrijednosti poluraspada za ¹⁴ C je 5.568 godina. Ovo je poboljšano u ranim 1960-im na 5.730 godina, što je značilo da su mnogi izračunati datumi objavljenih radova sada netačni (greška je oko 3%). Moguće je ugraditi ispravke za vrijednost poluraspada u kalibracije krivu, što je postala uobičajena praksa u radiokarbonskom datiranju "radiokarbonskih godina", što znači da proračuni pomoću izvorne vrijednosti poluživota nisu kalibrirane.

Ustvari, nivo ¹⁴C u biosferi značajno varira kao i rezultati dobijeni po gornjoj jednadžbi treba ispraviti upotrebom kalibracijske krive koja je opisana u prilogu.

Pojednostavljena verzija razmjene rezervoara ugljika prikazuje proporcije ugljika i relativnu aktivnost ¹⁴C u svakom od njih.
Podaci o procentu ugljika u svakom dijelu akumulacije se dobiju iz procjene prosjeka rezervoarskog ugljika za sredinu 1990-ih.
Procjene distribucije ugljika tokom predindustrijskog vremena su bile bitno drugačije.

Izrazi "konvencionalna radiokarbonska starost doba", ili "radiokarbonska starost", koriste se kao i ovi nazivi koji se odnose na doba izračunavanja pomoću sljedećih standarda izračunavanja radiokarbona:

• a) procjena pomoću Libbyjevog poluživota od 5.568 godina, umjesto trenutno prihvatjivog stvarnog poluživota od 5.730 godina;
• (b) upotreba NIST standarda poznatog kao HOxII definira se aktivnost radiokarbonskim metodom iz 1950. godine;
• (c) korištenje datiranja po standardu iz 1950. godine gdje se izračuna količina "prije prisutnog" radiougljika;
• (d) ispravke za radiokarbonsko frakcioniranje se obavljaju na osnovu odnosa standardnog izotopa, i *(e) sve na pretpostavci da se ¹⁴ C / ¹² C odnos nije promijenio tokom proteklog vremena. Ovaj pristup ima prednost održavanja usklađenosti sa početkom radova, a također izbjegava rizik od dvostrukih ispravki za Libbyjeve vrijednosti poluraspada.

Također pogledajte

• Apsolutna geohronologija
• Relativna geohronologija
• Šiljak ugljika-14 774-775.