1

Datowanie metod

ą radiowęglową

99.9%

99.9% naturalnej ilo

ści

naturalnej ilo

ści

14

14

C

C powstaje

powstaje w

w

górnej warstwie atmosfery

górnej warstwie atmosfery w wyniku

w wyniku

reakcji neutronów

reakcji neutronów z

z

14

14

N,

N, który jest

który jest

pocz

ątkiem

pocz

ątkiem cyklu węglowego (obiegu

cyklu w

ęglowego (obiegu

w

ęgla w przyrodzie)

w

ęgla w przyrodzie).

.

14

C jest przyk

ładem izotopu, który powstaje w środowisku w sposób

ci

ągły.

Szybko

ść tworzenia

Szybko

ść tworzenia wynosi

wynosi 2.5 atom

2.5 atom

cm

cm

--2

2

s

s

--1

1

z ca

łkowitą

z ca

łkowitą ilością

ilo

ścią atomów

atomów

14

14

C

C

3 x 10

3 x 10

30

30

(90%

(90% w oceanach

w oceanach, 8%

, 8% w

w

biosferze

biosferze ii glebie

glebie, 2%

, 2% w atmosferze

w atmosferze).

).

Typowe

Typowe st

ężenie

st

ężenie

14

14

C

C w wodzie morskiej

w wodzie morskiej

wynosi

wynosi
1.2 x 10

1.2 x 10

9

9 14

14

C

C atomów

atomów/L (2 x 10

/L (2 x 10

--15

15

M).

M).

www.ansto.gov.au/ansto/environment1/ams/ams_14c.htm

www.ansto.gov.au/ansto/environment1/ams/ams_14c.htm

14

1

14

1

7

0

6

1

N

n

C

p

+

⎯⎯

→

+

Datowanie metod

ą radiowęglową

Inne

źródła

14

C:

In-situ (0.1%):

14

C powstaje w reakcjach indukowanych przez neutrony na

powierzchni Ziemi. Szybko

ść tworzenia

14

C z kwarcu (na dnie morza) wynosi 20

atomów g

-1

rok

-1

i zale

ży od wysokości i strefy geomagnetycznej. Metoda ta

pozwala na badanie wielu zagadnie

ń geofizycznych, włącznie z badaniem

przebiegu erozji, stopnia wypi

ętrzenia, przebiegu zlodowaceń, erupcji wulkanów,

ruchu wydm piaszczystych, akumulacji i ablacji lodu oraz zmian klimatycznych.

Na drodze reakcji j

ądrowej:

14

C mo

że powstawać pod ziemią, bezpośrednio lub

po

średnio, przez rozpad serii uranowej lub torowej. Oszacowanie tego

14

C jest

pomocne w badaniu

środowiska hydrologicznego, w którym zawartość uranu i toru

jest wysoka.

Na drodze antropogenicznej: Zanotowano wzrost poziomu

14

C w atmosferze w

roku 1963 (ze 100% wzrostem st

ężenia

14

C), z powodu testowania broni

nuklearnej, a nast

ępnie powolny spadek tego poziomu od tego czasu. Ten

bomb

pulse

jest niezwykle u

żyteczny w badaniu zagadnień związanych ze

środowiskiem, takich jak proces wietrzenia lodu oraz cyrkulacja wód gruntowych.

http://www.ansto.gov.au/ansto/environment1/ams/ams_14c.htm

Jak dzia

ła datowanie metodą riadiowęglową

Ca

ła żywa materia organiczna

zawiera

ściśle określoną fakcję

14

C w

ca

łkowitej ilości węgla. Frakcja ta

pochodzi g

łównie z materiału

pobranego na drodze biochemicznej.

Po

śmierci organizmu,

14

C nie jest

14

14

0

6

7

1

C

N

e

−

−

⎯⎯

→

+

ju

ż akumulowany i ulega rozpadowi

z okresem pó

łtrwania 5730 lat.

W ten sposób porównanie st

ężenia

14

C w martwej i

żywej materii może

da

ć informację ile czasu upłynęło od

momentu obumarcia próbki.

Datowanie metod

ą radiowęglową

Jak okre

ślana jest ilość

14

C?

Jak wspomniano wcze

śniej,

14

C podlega rozpadowi

β.

14

14

0

6

7

1

C

N

e

−

−

⎯⎯

→

+

Datowanie metod

ą radiowęglową może być dokonane na dwa sposoby:

• Przez zmierzenie st

ężenia

14

C zawartego w próbce, lub

• Przez wyznaczenie aktywno

ści w zależności od emisji

β.

( zwa

żywszy, że aktywność jest proporcjonalna do liczby jąder

ulegaj

ących rozpadowi:)

http://www.c14dating.com/

1 2

0.693

A

N

N

t

λ

=

=

Datowanie metod

ą radiowęglową

Pomiary aktywno

ści – licznik scyntylacji.

Scyntylacj

ą nazywa się emisję światła powstającą pod wpływem ekspozycji

na promieniowanie jonizuj

ące. Liczniki scyntylacyjne mierzą intensywność

emitowanego

światła powstającego pod wpływem źródła promieniowania.

Metod

ą kalibracji według standardu można odczytać bezpośrednio

aktywno

ść.

Pomiary

14

C – akcelerator... spektrometria masowa (AMS)

AMS j

t i

kl

j

t

h ik

kt

t ii

j

l j

AMS jest niezwykle precyzyjn

ą techniką spektrometrii masowej pozwalającą

na oznaczanie niewielkich ilo

ści badanych próbek oraz określanie składu

izotopowego. W metodzie datowania przy pomocy

14

C, technika AMS

stosowana jest do mierzenia stosunków

14

C/

13

C i

14

C/

12

C. Poniewa

ż

13

C i

12

C

s

ą trwałe, wspomniane stosunki mogą być użyte bezpośrednio do

oznaczenia wieku metod

ą radiowęglową. Ponieważ węgiel pochodzący z

ró

żnych źródeł może nieznacznie różnić się składem izotopowym w

zale

żności od różnych procesów chemicznych, którym podlega materia,

stosunek

13

C/

12

C mierzony jest bezpo

średnio poprzez AMS jako dodatkowa

korekcja kalibracji.

Datowanie metod

ą radiowęglową – stosunek aktywności

Aktywno

ść jest proporcjonalna do liczby obecnych jąder.

A

N

λ

=

W ten sposób stosunek aktywno

ści próbki materii po obumarciu do

aktywno

ści próbki materii żywej jest równy stosunkowi liczby nuklidów

14

C.

0

0

0

0

exp(

)

A

N

N

dN

dN

t

dt

dt

A

N

N

λ

λ

λ

⎛

⎞

⎛

⎞

= −

−

=

=

=

−

⎜

⎟ ⎜

⎟

⎝

⎠ ⎝

⎠

Dla okre

ślenia wieku próbki porównuje się aktywność A z aktywnością próbki

żywej (lub niedawno obumarłej), A

0

, i stosuje okres pó

łtrwania lub stałą zaniku.

0

0.25

0.5

0.75

1

0

25

50

75

100

time (years)

N/

N

0

0

0.25

0.5

0.75

1

0

25

50

75

100

time (years)

A/

A

0

2

Datowanie metod

ą radiowęglową

W my

śl tej metody, stężenie

14

C w

żywej materii jest stałe w

czasie datowania.

Uwa

ża się, że powyższe stwierdzenie nie jest całkowicie zgodne z

prawd

ą, więc konieczne jest stosowanie wielu warunków i korekcji w

datowaniu

14

C, a metoda standardowa stosowana jest zawsze jako

odno

śnik wieku ustalanego metodą radiowęglową.

1. Wiek próbki zosta

ł określony jako jej radiocarbon age. Można go określić jako

1. Wiek próbki zosta

ł określony jako jej radiocarbon age. Można go określić jako

“years BP” (before present, gdzie present = AD1950, gdy opracowano datowanie
metod

ą radiowęglowa).

2. Zakres niepewno

ści lub “zakres błędu” zwykle określany jest w oparciu o znane

zmiany poziomu

14

C, jak i niepewno

ść eksperymentalną.

3. Wiek radiow

ęglowy można skorygować przy użyciu wykresu krzywej

kalibracyjnej uzyskanej na podstawie niezale

żnych danych.

4. Korekcji podlegaj

ą również zmiany naturalnych stosunków izotopów dla próbek

pochodz

ących z różnych źródeł.

Kalibracja metody datowania radiow

ęglowego

Willard Libby, który wymy

ślił metodę datowania

14

C w roku 1946 (Nagroda Nobla,

1960), opracowa

ł pierwszy wykres kalibracyjny, przedstawiony poniżej, stosując

próbki o niezale

żnie określonym wieku.

Przedstawiona krzywa pokazuje “okres pó

łtrwania Libby’ego” jako 5568 lat, który

stosowany jest w celu okre

ślenia wieku radiowęglowego materiałów i rzeczywiście

okre

śla stałą szybkości tworzenia

14

C.

Nale

ży zauważyć, że wszystkie

niezale

żne dane dotyczą wieku

poni

żej <5000 lat.

Datowanie radiow

ęglowe – przykład do analizy

Przyk

ład: Próbka węgla w ilości 1g otrzymana z mchu torfowego posiada

aktywno

ść 0.350 mCi. Próbka odnośnika lub współczesnego standardu

wykazuje aktywno

ść 0.446 mCi. Jaki jest wiek próbki wg. metody

radiow

ęglowej?

0

8033ln

A

t

A

⎛

⎞

=

⎜

⎟

⎝

⎠

W tej zale

żności

jednostki aktywno

ści

musz

ą być takie same

zarówno w liczniku jak i

0.446

8033ln

0.350

1950

⎛

⎞

=

⎜

⎟

⎝

⎠

=

Years BP

(zaokr

ąglony od 1947r.)

Jednostki czasu okre

ślane są przez jednostki

czynnika przed logarytmem lub okres
pó

łtrwania.

zarówno w liczniku jak i
mianowniku.

Ten czynnik otrzymywany
jest z “okresu pó

łtrwania

Libby’ego” i jest równy
5568/ln(2)

Datowanie radiow

ęglowe za pomocą AMS

AMS posiada dwie g

łówne zalety w stosunku do pomiarów aktywności.

1. Czu

łość.

AMS mo

że mierzyć próbki zawierające zaledwie kilka mg węgla, lub

te

ż próbki znacznie starsze, w których frakcja pozostałego oryginalnego

14

C jest

bardzo ma

ła. AMS posiada limit efektywności wynoszący około 26,000 lat, podczas

gdy wiek okre

ślany przez aktywność jest ograniczony do około 10,000 lat.

2. Kalibracja wewn

ętrzna(wzorzec wewnętrzny?).

AMS mo

że mierzyć

stosunki wszystkich izotopów bezpo

średnio. Oznacza to, że lokalne zmiany w

sk

ładzie izotopowym (

frakcjonowanie

) dla trwa

łych (

12

C i

13

C) i nietrwa

łych (

14

C)

izotopów okre

śla się in situ

izotopów okre

śla się in situ.

W AMS stosunki s

ą często wyrażane jako odchylenia od standardu. Dla

trwa

łych izotopów National Institute of Standards and Technology (NIST)

podaje warto

ści R

std

=

13

C/

12

C = 0.011237. Odchylenia od tych warto

ści dla

ró

żnych materiałów wyraża się w częściach na tysiąc (promil, lub ‰).

1000

std

std

R

R

R

δ

−

=

×

Datowanie radiow

ęglowe za pomocą AMS – Całun Turyński

W 1989 roku AMS zastosowano w celu okre

ślenia wieku Całunu Turyńskiego

metod

ą datowania radiowęglowego. Każdą z badanych próbek stanowił 50mg

kawa

łek tkaniny, który był analizowany niezależnie przez trzy różne laboratoria.

Warto

ść

δ

13

C zosta

ła zmierzona bezpośrednio i dała rezultat około -25‰, który był

zgodny ze standardami kalibracyjnymi dla tego rodzaju w

łókien (niezależnie od

wieku).

Read the original scientific article at

http://www.shroud.com/nature.htm

Wiek radiow

ęglowy (skorygowany na

δ

13

C) zosta

ł

ęg

y (

yg

y

)

oznaczony ze stosunku

14

C/

13

C jako 690±30 years

BP. Oznaczono tak

że trzy podobne próbki

referencyjne:

•

11-12 wieczne p

łótna datowane na 940y BP

•

p

łótno z mumii Kleopatry datowano na 1960y

BP

•

Nitki niezale

żnie datowano na 1300AD,

14

C

datowano na 724y BP.

Konkluzja:
“...p

łótno Całunu Turyńskiego pochodzi ze

Średniowiecza.”

The “Bomb Pulse”

Poziom

Poziom

14

14

C

C obecnego w otoczeniu

obecnego w otoczeniu wzrasta wraz z ilo

ścią testów

wzrasta wraz z ilo

ścią testów

nuklearnych dokonywanych

nuklearnych dokonywanych w atmosferze

w atmosferze,

, osi

ągając rekordowe

osi

ągając rekordowe

warto

ści w roku

warto

ści w roku 1962

1962 –

– zjawisko znane pod nazw

ą

zjawisko znane pod nazw

ą “Bomb Pulse.”

“Bomb Pulse.”

Zosta

ł on dokładnie oznaczony w czasie jako odchylenie od wcześniejszego

stosunku izotopów,

δ

14

C, i mo

że być stosowany w celu dokładnego określenia

wieku materia

łów zawierających węgiel.

Przyk

ład:

• Datowanie wina & wykrywanie fa

łszywych etykiet i gatunków.

• Datowanie zbioru ? leków (narkotyków).

U.S. Department of Energy photograph http://www.nv.doe.gov/news&pubs/photos&films/atm.htm

3

Biologiczne efekty promieniowania

W jaki sposób ró

żne formy promieniowania oddziałują z

(biologiczn

ą) materią?

Podstawow

ą cechą charakteryzującą promieniowanie

pochodz

ące z radioaktywności jest jego

wysoka energia

, oraz

to,

że powoduje

jonizacj

ę materii

poprzez wyrzut elektronu z

atomu (ogólnie nazywane jest promieniowaniem jonizuj

ącym )

atomu (ogólnie nazywane jest promieniowaniem jonizuj

ącym.)

Gdy promieniowanie zatrzymywane jest przez materi

ę, oddziałuje z

ni

ą, powodując w ten sposób jonizację.

Promieniowanie o du

żej przenikalności przechodzi przez materię nie

jonizuj

ąc jej.

Ochrona przed promieniowaniem i efektami biologicznymi le

żą w

kr

ęgu zainteresowań Fizyków sanitarnych. Nuclear facilities

zatrudniaj

ą fizyków sanitarnych w celu szkolenia obsługi,

monitorowania czynno

ści, oraz poszerzania protokołów

bezpiecze

ństwa.

Biologiczne efekty promieniowania

Jonizacja powoduje powstawanie

wolnych rodników

. S

ą to

wysoce reaktywne indywidua chemiczne.

N.p. Na

świetlanie wody promieniowaniem gamma powoduje wyrzut

elektronu z utworzeniem jonorodnika

γ

+ H

2

O

→ H

2

O

+.

+ e

-

γ

2

2

Obydwa produkty prowadz

ą do utworzenia większej liczby wolnych

rodników

H

2

O

+

+ H

2

O

→ H

3

O

+

+ OH

.

e

-

+ H

2

O

→ H

.

+ OH

-

Wolne rodniki atakuj

ą biocząsteczki takie jak nici DNA lub membrany

lipidowe. Mo

że to prowadzić (rzadko) do uszkodzeń genetycznych,

nowotworów, uszkodze

ń błon komórkowych lub upośledzenia funkcji

enzymów, które steruj

ą procesami biologicznymi.

Biologiczne efekty promieniowania

Si

ła przenikania promieniowania

α, β i γ:

•

α są cząstkami ciężkimi, obdarzonymi wysokim ładunkiem.

Gdy cz

ąstka

α uderza w materię,

zatrzymywana jest

zaledwie przez

pojedyncz

ą kartką papieru.

Cz

ąstki

α jonizują efektywnie powierzchnię materii, powodując

uszkodzenia powierzchniowe.

Cz

ąstka

β

-

mo

że być zatrzymana przez warstwę składającą

•

β

-

s

ą lżejsze i bardziej przenikliwe.

Cz

ąstka

β może być zatrzymana przez warstwę składającą

si

ę z kilku kartek papieru lub plastiku. Cząstki te mogą

powodowa

ć jonizację w głębszych warstwach niż cząstki

α.

Potrzebna jest kilkucentymetrowa warstwa wody aby stopniowo
os

łabić i zatrzymać promieniowanie

γ.

Promieniowanie

γ jest mniej wydajne, lecz powoduje

uszkodzenia

wewn

ętrzne.

•

γ wysoce przenikliwe.

Cz

ąstki

β

+

reaguj

ą z elektronem powodując

jonizacj

ę

i

uwolnienie dwóch fotonów

gamma

w przeciwnym kierunku.

•

β

+

wysoce jonizuj

ące i posiadające dużą przenikliwość.

Nara

żenie na promieniowanie

Nara

żenie biologiczne wzrasta za pośrednictwem różnorodnych

mechanizmów.

N.p. Ekspozycja bezpo

średnia na źródło promieniowania (zewnętrzne)

Cia

ło stałe lub ciecz: Źródło zlokalizowane. Promieniowanie może być

ekranowane.

Gaz lub para:

Źródło rozproszone. Może dyfundować poza osłony.

N.p. Ska

żenie (zewnętrzne i wewnętrzne)

Zewn

ętrzne: Przenoszenie materiału radioaktywnego na rękach, butach, etc…

Wewn

ętrzne: Połykanie lub wdychanie.

Ryzyko uszkodzenia poprzez cz

ąstkę

α przez skażenie wewnętrzne jest

znacznie wy

ższe niż przez zewnętrzne, gdzie są one całkiem dobrze

zatrzymywane przez skór

ę.

W celu dotarcia do szczegółowych danych, można użyć programu szkoleniowego dotyczącego bezpieczeństwa
opracowanego przez U.S. National Centre for Neutron Research dostępnego na stronie internetowej the First Year
Chemistry. Jest to ten sam program, który używany jest do szkolenia odwiedzających, czasowych i stałych
pracowników zatrudnionych przy reaktorze jądrowym w National Institute of Standards and Technology.

Biologiczne efekty promieniowania

Okres pó

łtrwania i uszkodzenia pod wpływem promieniowania

Nuklidy o d

ługim okresie półtrwania ulegają rozpadowi z mniejszą

cz

ęstotliwością .

1 2

0.693

A

N

N

t

λ

=

=

Oznacza to d

łuższe okresy półtrwania równe niższej (molowej)

aktywno

ści, więc niższe potencjały jonizacji i uszkodzenia pod

wp

ływem promieniowania.

Z tego punktu widzenia

238

U, posiadaj

ący okres półtrwania 4.5

biliona lat, lub

230

Th (T

1/2

= 83,000 lat) mo

że powodować mniejsze

uszkodzenia ni

ż

3

H (T

1/2

= 12 lat) lub

234

Th (T

1/2

= 24.5 dni).

1 2

t

Jednostki dawki promieniowania

Dawka promieniowania (dla cz

łowieka) mierzona jest w remach (lub

miliremach) lub Sieverts (Sv).

Dawka ma uwzgl

ędniać wszystkie czynniki, które mogą mieć wpływ na

organizm

żywy - aktywność, energia, przenikanie, oraz masa materii żywej

podlegaj

ącej napromieniowaniu.

Source
Activity

Energy of
Radiation

Energy

Absorbed per

Relative

Biological

Effective Dosage

Equivalent

Activity

Radiation

Absorbed per

unit mass

(dose)

Biological

Effectiveness

Equivalent

α

10

β, γ

1

Bq or Ci

Joule

Gray (J/kg)

or Rad

Q-factor

rem = rad x Q

Sievert =Gy x Q

Energia na cz

ąstkę x

aktywno

ść x czas

ekspozycji

Mniej przenikliwe

promieniowanie

powoduje wi

ęcej

uszkodze

ń.

Promieniowanie
rozproszone lub

zlokalizowane

1Sv = 100 rem
1Gy = 100 rad

4

Dawki i efekty przez nie wywo

ływane

Ca

łkowita spodziewana dawka przypadająca na przeciętnego człowieka

wynosi oko

ło 360 mrem/rok.

Jakie mog

ą być krótkoterminowe efekty dawki promieniowania?

25,000 mrem w 24h

Brak mierzalnych efektów

50,000 mrem w 24h

Niewielkie czasowe zmiany we krwi

100,000 mrem w 24h

Nudno

ści & zmęczenie

200,000 mrem w 24h

Śmierć kliniczna (bez interwencji
medycznej)

500,000 mrem w 24h

LD50 (50% osób napromieniowanych

umiera.)

N.B. Prawdopodobie

ństwo wystąpienia efektów długotrwałych wzrasta wraz z dawką.

Wi

ększość fizyków stosuje liniowy model bezprogowy. Oznacza to, że nie ma poziomu

napromieniowania, który nie wywo

ływałby efektów. Jednakże skala czasowa oraz

statystyczna natura tych efektów powoduje,

że efekty wywołane niską dawką są trudne

do oznaczenia.

Zwyk

łe źródła radioaktywności

Jeste

śmy narażeni na niektóre zwykłe naturalne źródła radioaktywności.

Daj

ą one dawkę około 300mrem/rok. Najbardziej powszechnym jest radon,

który znajduje si

ę w serii rozpadu

238

U i innych pierwiastków ci

ężkich, który

rozpada si

ę do polonu z okresem półtrwania 3.82 dni.

rozpad

α gazowego radonu powoduje uszkodzenia płuc i jest w ten sposób

d

i d i l

k 10%

dkó

t

ó

ł

222

218

4

86

84

2

Rn

Po

He

⎯⎯

→

+

odpowiedzialny za ok. 10% przypadków nowotworów p

łuc.

Inne izotopy pochodz

ące z otoczenia zawierają

W postaci rozpuszczonych jonów potasu i

w CO

2

i zwi

ązkach organicznych.

40

40

0

19

18

1

K

Ar

e

⎯⎯

→

+

14

14

0

6

7

1

C

N

e

−

−

⎯⎯

→

+

Inne powszechne

źródła radioaktywności

•

Inne powszechne

źródła radioaktywności obejmują promieniowanie

kosmiczne w wy

ższych warstwach atmosfery. Średnie roczne

napromieniowanie z tych

źródeł na poziomie podstawowym wynosi

~26mrem

ów

.

• Lot samolotem trwaj

ący 4h zwiększa dawkę o kilka mrem

ów

.

•

Napromieniowanie medyczne (promieniowanie X i medycyna nuklearna)

i k

ł 40

/ k

wynosi oko

ło 40mrem

ów

/rok

•

Produkty konsumpcyjne ~10mrem

ów

/rok

•

Opad promieniotwórczy <1mrem

a

/rok

•

Energia j

ądrowa ~.05mrem

a

/rok

Nuklearny świt(po

Nuklearny świt(po

wybuchu nuklearnym)

wybuchu nuklearnym)

6 Sierpnia

6 Sierpnia 1945

1945

Czarnobyl

Czarnobyl,, Ukraina

Ukraina

w kwietniu

w kwietniu 1986

1986 i i w kwietniu

w kwietniu 2001

2001