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. V roce 1960 za vytvoření nové metody dostal Nobelovu cenu za chemii. Na počátku stálo zjištění z roku 1939, že spršky neutronů kosmického záření interagují s atomy prvků zastoupených v zemské atmosféře, mj. tedy i s atomy uhlíku. Tehdy 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. Jak je blíže vysvětleno níže, tento plyn se přirozeně dostává do živých organizmů a z měření jeho zastoupení ve zbytcích mrtvých těl lze odhadnout jejich stáří.

Sám Libby na počátku ověřoval přesnost své metody srovnáváním jejích výsledků s výsledky dosaženými na stejných či podobných organických vzorcích pomocí jiných metod. Za příklad alternativní metody lze uvést určování stáří kusů dřeva počítáním a bližším zkoumáním letokruhů – viz dendrochronologie. 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 hlavní zdrojem informací o radiouhlíkové metodě.

Vznik izotopu uhlíku 14C[editovat | editovat zdroj]

Každý okamžik dopadají do svrchních vrstev zemské atmosféry částice primárního kosmického záření. To je z většiny tvořeno protony (cca 88 %), zhruba 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, přesněji

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

Takto vzniklý izotop uhlíku je jedním z nejzastoupenějších izotopů v zemské atmosféře, 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.

Princip metody[editovat | editovat zdroj]

V přírodě se izotop 14C vyskytuje jako 0,000 001 % veškerého C. Právě tohoto prvku se využívá, protože je z velké části zastoupen v každém živém organismu. Zároveň však v živých organizmech, stejně jako kdekoliv jinde, dochází k jeho rozpadu. Změřením poměru jeho koncentrace ku stabilnímu 12C je pak možné vypočíst dobu, kdy byl vzorek vyřazen z koloběhu v přírodě (organismus zemřel).

Přesněji řečeno, v atmosféře se zachovává rovnováha mezi tvorbou 14C dopadem kosmického záření a jeho přirozeným radioaktivním rozpadem. 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. Tehdy už do mrtvého těla nový uhlík 14C nevstupuje a nelze tak kompenzovat úbytek 14C, nacházejícího se v těle v okamžiku smrti a neúprosně se rozpadajícího přirozeným radioaktivním rozpadem. 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 jsme ale schopni zjistit změřením koncentrace tohoto izotopu v současných živých organizmech.

Zákon radioaktivního rozpadu je zadán podle následujícího vzorce, který vyjadřuje 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, 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 %
9460 let 75 %
15190 let 87,5 %
20920 let 93,75 %
26650 let 96,875 %
32380 let 98,4375 %
38110 let 99,21875 %
43840 let 99,609375 %
49570 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 její nepřesnost a 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) Jednak nelze určovat přesné stáří vzorků jejichž reálné stáří přesahuje zhruba 50 000 let – v extrémních případech 100 000 let, protože obsah 14C poklesne na příliš nízkou úroveň, stejně tak není možné určit méně než 100–200 let stáří vzorku. Statistický rozptyl v jakém vychází datace podle této metody je v řádech desítek až padesáti let. Nepřesnost se pak může pohybovat okolo 1–5 %. Další nevýhodou radiokarbonové metody je, že je to metoda destruktivní, vzorek kosti se spálí (na čistý uhlík) a zjišťuje se aktivita vzorku – ke kolika radioaktivním rozpadům dojde (zhruba za 10 h).

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). 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]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]