Radiokarbonová metoda datování

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání

Radiokarbonová metoda datování (též uhlíková nebo radiouhlíková metoda) je chemicko-fyzikální metoda určená pro zjištění stáří biologického materiálu. Je založena na výpočtu stáří z poklesu počtu atomů radioaktivního izotopu uhlíku 14C v původně živých objektech. Radiokarbonová metoda byla objevena roku 1940 a používá se především v archeologii, ale taky ve vědách etnobotanických.

Historie[editovat | editovat zdroj]

Vynálezcem radiouhlíkové metody je americký chemik Willard Frank Libby (1908–1980), který svůj nápad určovat stáří organického materiálu pomocí měření obsahu radioaktivního uhlíku publikoval v roce 1947.[1] V roce 1960 dostal za vytvoření této metody Nobelovu cenu za chemii.[2] Na počátku stálo zjištění z roku 1939, že spršky neutronů sekundárního kosmického záření interagují s atomy prvků zastoupených v zemské atmosféře, mj. tedy i s atomy uhlíku, čímž vznikají radioaktivní izotopy 146C. Libbyho tyto poznatky vedly k závěru, že se malá množství tohoto radioaktivního izotopu musejí nacházet i v molekulách atmosférického oxidu uhličitého – plynu, který se přirozeně dostává do živých organizmů – a že měřením jeho zastoupení ve zbytcích mrtvých těl lze odhadnout jejich stáří.[1]

Sám Libby na počátku ověřoval přesnost své metody srovnáváním jejích výsledků s výsledky dosaženými na stejných či podobných organických vzorcích pomocí jiných metod. Určoval např. stáří vzorků jedlí a sekvojí a srovnával to s výsledky získanými dendrochronologií – počítáním a bližším zkoumáním letokruhů.[1] Dále se Libby zabýval závislostí obsahu radioaktivního izotopu uhlíku na zeměpisné šířce, přičemž ukázal, že se koncentrace izotopu v tělech organizmů s místem na planetě zásadně nemění.Po několika letech zkoumání možností nové metody sepsal knihu Radiocarbon dating, která je dodnes považována za základní informaci o radiouhlíkové metodě.[1]

Vznik izotopu uhlíku 14C[editovat | editovat zdroj]

Do svrchních vrstev zemské atmosféry dopadají z vesmíru neustále částice primárního kosmického záření. To je z tvořeno převážně protony (kolem 88 %), z 10 % částicemi alfa (jádra helia) a zbytek tvoří převážně elektrony, pozitrony a atomy těžkých prvků. Tyto se sráží s částicemi v atmosféře, čímž vzniká sekundární kosmického záření, jež dopadá až na zemský povrch. Interakcemi sekundárního kosmického záření s molekulami vzduchu neustále vznikají nejrůznější radioaktivní nuklidy prvků zastoupených v atmosféře. Srážkou neutronu sekundárního kosmického záření s atomem dusíku 147N vzniká izotop uhlíku 146C,[3] přesněji

 {}^{14}_7 N + n \to {}^{14}_6 C + p .

Takto vzniklý izotop uhlíku je jedním z nejvíce zastoupených izotopů v zemské atmosféře.[zdroj?] K jeho produkci dochází v jejích horních vrstvách, převážně ve výšce kolem 15 kilometrů. Dále se tento izotop oxiduje na oxid uhličitý, jenž se poté promíchává se svou neaktivní formou tvořenou izotopy 126C a 136C, které nejsou radioaktivní. Tato směs je poté fotosyntézou vstřebávána rostlinami a jejich prostřednictvím se dostává i do těl živočichů.[4]

Princip metody[editovat | editovat zdroj]

Uhlík se pro zjišťování stáří využívá proto, že je z velké části zastoupen v každém živém organismu. V přírodě se izotop 14C vyskytuje jako 0,000 000 000 1 % veškerého uhlíku (na každých 1012 atomů 12C se vyskytuje jeden atom 14C).[3] Zároveň však v živých organizmech, stejně jako kdekoliv jinde, dochází k jeho rozpadu. Změřením poměru jeho koncentrace k stabilnímu 12C je pak možné vypočíst dobu, kdy byl vzorek vyřazen z koloběhu v přírodě (kdy organizmus zemřel).

Podrobněji vychází princip radiouhlíkového datování z faktu, že se v atmosféře zachovává rovnováha mezi tvorbou 14C dopadem kosmického záření a jeho přirozeným radioaktivním rozpadem.[3] Tím pádem panuje i rovnováha mezi koncentracemi 14C a ostatních (neradioaktivních) izotopů 12C a 13C. Poměr těchto koncentrací je tedy v čase konstantní a to platí i pro uhlík, který se dostane do těl živých organizmů. Tato situace trvá do té doby, než organizmus zemře.[2] Tehdy už do mrtvého těla nový uhlík nevstupuje a nelze tak kompenzovat úbytek uhlíku 14C nacházejícího se v těle v okamžiku smrti a rozpadajícího se přirozeným radioaktivním rozpadem.[4] Množství 14C tak počínaje smrtí organizmu začne sledovat křivku zákona radioaktivního rozpadu. Jeho pomocí je již možné spočíst, jak dlouhá doba uplynula mezi proměřením (organického) vzorku a jeho uhynutím, víme-li, jaká byla koncentrace 14C v době úmrtí. Tu lze zjistit (odhadnout) změřením koncentrace tohoto izotopu v současných živých organizmech.

Zákon radioaktivního rozpadu je vyjádřen vzorcem, který určuje časovou závislost koncentrace radioaktivního uhlíku ve zkoumaném vzorku:

 c(t) = c_0 \, e^{-\lambda t} ,

kde c_0 značí rovnovážnou koncentraci 14C v organizmu v okamžiku jeho smrti, c(t) koncentraci po čase t uplynulém od úmrtí a \lambda označuje přeměnovou konstantu izotopu 14C, kterou lze nezávisle experimentálně určit. Počáteční koncentraci C_0 dokážeme určit proměřením obsahu 14C u současných živých organizmů. Známe tak všechny konstanty vyskytující se ve vzorci výše a je už jen otázkou elementárního výpočtu vyjádřit proměnnou t jako funkci aktuální koncentrace c(t) a sice

 t = - \frac{1}{\lambda} \ln{\frac{c(t)}{c_0}} ,

kde symbol c(t) nyní představuje nezávislou proměnnou (naměřenou koncentraci) a t proměnnou závislou na hodnotě c(t). Dosazením aktuální změřené koncentrace c(t) do tohoto vzorce tak spočteme dobu t, po kterou se vzorek radioaktivně rozpadal. V následující sekci lze naleznout konkrétní hodnoty doby rozpadu odpovídající danému poměru konečné a původní koncentrace.

Změna obsahu izotopu 14C ve vzorku[editovat | editovat zdroj]

Poločas rozpadu 14C je 5730 let,[3] což znamená, že za tuto dobu poklesne jeho relativní obsah ve vzorku na polovinu. Následující tabulka zobrazuje dobu, za kterou se rozpadne dané procento původního množství 14C v organickém vzorku.

Doba rozpadu Procento rozpadnuvšího se uhlíku 14C
5730 let 50 %
11460 let 75 %
17190 let 87,5 %
22920 let 93,75 %
28650 let 96,875 %
34380 let 98,4375 %
40110 let 99,21875 %
45840 let 99,609375 %
51570 let 99,8046875 %

Pro delší časové úseky se již používají argon nebo uran, protože koncentrace 14C jsou už příliš nízké, než aby mohly být jejich rozdíly změřeny.

Nevýhody[editovat | editovat zdroj]

Nevýhodou této metody je to, že jí lze určit stáří pouze u organických materiálů – živočichů, jídla nebo dřeva. Metoda také určuje stáří materiálu – deska jako podklad pro malbu (kdy byl poražený strom, ne stáří namalování malby), papíru, pergamenu (kdy zemřela ovce, ne kdy byl pergamen napsán).

Vzestup množství izotopu uhlíku 14C v atmosféře vlivem jaderných testů

Měření je také omezeno stářím vzorků – nelze určovat vzorky, jejichž reálné stáří přesahuje 40 – 50 000 let (v extrémních případech 100 000 let, ale s menší přesností[4]), protože obsah 14C poklesne na příliš nízkou úroveň. Není také možné spolehlivě určit vzorky mladší než 100–200 let,[3] protože v té době se díky spalování uhlí a ropy dostalo do ovzduší velké množství uhlíku pocházejícího z pozůstatků prastarých organizmů, který neobsahuje radioaktivní izotop. V druhé polovině 20. století se naopak množství radioaktivního uhlíku v ovzduší dočasně zvýšilo vlivem jaderných pokusů v atmosféře.

Další nevýhodou je obtížná detekce obsahu uhlíku 14C, protože jeho koncentrace ve vzorku je velmi nízká a zároveň jde o beta zářič s nízkou energií. Proto je jeho měření velmi náročné na kvalitní přístrojové vybavení a tedy i drahé.[4]

Chyba metody dosahuje v optimálním případě 1 %,[4] často však více. Statistický rozptyl, v jakém vychází datace podle této metody, je podle toho v řádech desítek až padesáti let.

Další nevýhodou radiokarbonové metody je, že je to metoda destruktivní,[4] vzorek kosti se spálí (na čistý uhlík) a zjišťuje se aktivita vzorku – ke kolika radioaktivním rozpadům dojde (měření trvá řádově 10 a více h).[3]

Původní metoda vychází z předpokladu, že koncentrace 14C je stálá. Ve skutečnosti však tato koncentrace kolísá. Později byla proto metoda korigována a průměrována zejména pomocí dendrochronologie, ale i dalších metod. Je proto třeba kontrolovat, jestli údaje uvedené u vzorků představují syrová data (obvykle označovaná jako BP – before present, definováno jako „před rokem 1950“), nebo data už přepočtená na běžný letopočet (označována jako BC - před Kristem, nebo AC - po Kristu). Data z druhé poloviny 20. století jsou silně ovlivněna jadernými testy, které výrazně zvýšily dočasně obsah 14C. Naopak vzorky z míst, kde je do organismů vestavěn uhlík z fosilních zdrojů (CO2 vzniklý spálením uhlí nebo ropy), se mohou jevit jako starší.

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

{Commonscat|Carbon-14}}

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. a b c d Radiouhlíkové datování: jak funguje nejrozšířenější datovací metoda [online]. Atom, 2012-11-19, [cit. 2014-07-16]. Dostupné online.  
  2. a b KLUIBER, Zdeněk, a kol. Moderní směry ve fyzice. Praha : ARCI, 2003. Dostupné online. ISBN 80-86078-28-0. Kapitola 6. Ionizující záření v archeometrii a dějinách umění, s. 33-37.  
  3. a b c d e f WAGNER, Vladimír. Jaderná fyzika a kulturní dědictví [online]. Osel,s.r.o., 2008-03-15, [cit. 2014-07-15]. Kapitola Určování stáří. Dostupné online.  
  4. a b c d e f ŠIŇOR, Milan. Radiouhlíková metoda určování stáří [online]. Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, ČVUT, 1998-02-23, [cit. 2014-07-16]. Dostupné online.  

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]