Datowanie metodą radiowęglową Datowanie metodą radiowęglową
14
C jest przykładem izotopu, który powstaje w środowisku w sposób
Inne z
ródła 14C:
ciągły.
In-situ (0.1%): 14C powstaje w reakcjach indukowanych przez neutrony na
14
powierzchni Ziemi. Szybkość tworzenia C z kwarcu (na dnie morza) wynosi 20
14
14
99.9% naturalnej ilości C powstaje w
99.9% naturalnej ilości C powstaje w
atomów g-1 rok-1 i zależy od wysokości i strefy geomagnetycznej. Metoda ta
górnej warstwie atmosfery w wyniku
górnej warstwie atmosfery w wyniku
pozwala na badanie wielu zagadnień geofizycznych, włącznie z badaniem
14
14
reakcji neutronów z N, który jest
reakcji neutronów z N, który jest
przebiegu erozji, stopnia wypiętrzenia, przebiegu zlodowaceń, erupcji wulkanów,
początkiem cyklu węglowego (obiegu
początkiem cyklu węglowego (obiegu
ruchu wydm piaszczystych, akumulacji i ablacji lodu oraz zmian klimatycznych.
węgla w przyrodzie).
węgla w przyrodzie).
14 1 14 1
Na drodze reakcji jądrowej: 14C może powstawać pod ziemią, bezpośrednio lub
N + n Ż#Ż# C + p

7 0 6 1
14
pośrednio, przez rozpad serii uranowej lub torowej. Oszacowanie tego C jest
Szybkość tworzenia wynosi 2.5 atom
Szybkość tworzenia wynosi 2.5 atom
pomocne w badaniu środowiska hydrologicznego, w którym zawartość uranu i toru
14
cm-2 s-1 z całkowitą ilością atomów 14C
cm-2 s-1 z całkowitą ilością atomów C
jest wysoka.
3 x 1030 (90% w oceanach, 8% w
3 x 1030 (90% w oceanach, 8% w
biosferze i glebie, 2% w atmosferze).
biosferze i glebie, 2% w atmosferze).
Na drodze antropogenicznej: Zanotowano wzrost poziomu 14C w atmosferze w
14
Typowe stężenie 14C w wodzie morskiej
Typowe stężenie C w wodzie morskiej
14
roku 1963 (ze 100% wzrostem stężenia C), z powodu testowania broni
wynosi
wynosi
nuklearnej, a następnie powolny spadek tego poziomu od tego czasu. Ten bomb
1.2 x 109 14C atomów/L (2 x 10-15 M).
1.2 x 109 14C atomów/L (2 x 10-15 M).
pulse jest niezwykle użyteczny w badaniu zagadnień związanych ze
środowiskiem, takich jak proces wietrzenia lodu oraz cyrkulacja wód gruntowych.
www.ansto.gov.au/ansto/environment1/ams/ams_14c.htm
www.ansto.gov.au/ansto/environment1/ams/ams_14c.htm
http://www.ansto.gov.au/ansto/environment1/ams/ams_14c.htm
Jak działa datowanie metodą riadiowęglową Datowanie metodą radiowęglową
Cała żywa materia organiczna
14 14
zawiera ściśle określoną fakcję C w
Jak określana jest ilość C?
całkowitej ilości węgla. Frakcja ta
pochodzi głównie z materiału
Jak wspomniano wcześniej, 14C podlega rozpadowi �.
pobranego na drodze biochemicznej.
14 14 0
14 14 0
C Ż#Ż# N + e-

C Ż#Ż# N + e-

6 7 -1
6 7 -1
Po śmierci organizmu, 14C nie jest
już akumulowany i ulega rozpadowi Datowanie metodą radiowęglową może być dokonane na dwa sposoby:
z okresem półtrwania 5730 lat.
14
" Przez zmierzenie stężenia C zawartego w próbce, lub
W ten sposób porównanie stężenia
14
C w martwej i żywej materii może
" Przez wyznaczenie aktywności w zależności od emisji �.
dać informację ile czasu upłynęło od
( zważywszy, żeaktywność jest proporcjonalna do liczby jąder
momentu obumarcia próbki.
ulegających rozpadowi:)
0.693
A = N = N
t1 2
http://www.c14dating.com/
Datowanie metodą radiowęglową Datowanie metodą radiowęglową  stosunek aktywności
Pomiary aktywności  licznik scyntylacji.
Aktywność jest proporcjonalna do liczby obecnych jąder.
Scyntylacją nazywa się emisję światła powstającą pod wpływem ekspozycji A = N
na promieniowanie jonizujące. Liczniki scyntylacyjne mierzą intensywność
W ten sposób stosunek aktywności próbki materii po obumarciu do
emitowanego światła powstającego pod wpływem z
ródła promieniowania.
14
aktywności próbki materii żywej jest równy stosunkowi liczby nuklidów C.
Metodą kalibracji według standardu można odczytać bezpośrednio
aktywność.
A dN dN0 N N
�# ś# �# ś#
= - - = = = exp(-t)
ź# ś# ź#
14
Pomiary C  akcelerator... spektrometria masowa (AMS) A0 ś# dt dt N0 N0
�# # �# #
AMS j t i kl j t h ik kt t ii j l j
AMS jest niezwykle precyzyjną techniką spektrometrii masowej pozwalającą
na oznaczanie niewielkich ilości badanych próbek oraz określanie składu
Dla określenia wieku próbki porównuje się aktywność A z aktywnością próbki
izotopowego. W metodzie datowania przy pomocy 14C, technika AMS
żywej (lub niedawno obumarłej), A0, i stosuje okres półtrwania lub stałą zaniku.
14 13 12
stosowana jest do mierzenia stosunków C/13C i 14C/12C. Ponieważ C i C
są trwałe, wspomniane stosunki mogą być użyte bezpośrednio do 1
1
oznaczenia wieku metodą radiowęglową. Ponieważ węgiel pochodzący z
0.75 0.75
różnych z
ródeł może nieznacznie różnić się składem izotopowym w
zależności od różnych procesów chemicznych, którym podlega materia, 0.5 0.5
13
stosunek C/12C mierzony jest bezpośrednio poprzez AMS jako dodatkowa
0.25 0.25
korekcja kalibracji.
0 0
0 25 50 75 100 0 25 50 75 100
time (years) time (years)
1
N/N
0
A/ A
0
Datowanie metodą radiowęglową Kalibracja metody datowania radiowęglowego
14
W myśl tej metody, stężenie C w żywej materii jest stałew Willard Libby, który wymyślił metodę datowania 14C w roku 1946 (Nagroda Nobla,
1960), opracował pierwszy wykres kalibracyjny, przedstawiony poniżej, stosując
czasie datowania.
próbki o niezależnie określonym wieku.
Uważa się, że powyższe stwierdzenie nie jest całkowicie zgodne z
Przedstawiona krzywa pokazuje  okres półtrwania Libby ego jako 5568 lat, który
prawdą, więc konieczne jest stosowanie wielu warunków i korekcji w
stosowany jest w celu określenia wieku radiowęglowego materiałów i rzeczywiście
14
datowaniu C, a metoda standardowa stosowana jest zawsze jako 14
określa stałą szybkości tworzenia C.
odnośnik wieku ustalanego metodą radiowęglową.
1. Wiek próbki został określony jako jej radiocarbon age. Można go określić jako
1. Wiek próbki został określony jako jej radiocarbon age. Można go określić jako
 years BP (before present, gdzie present = AD1950, gdy opracowano datowanie
metodą radiowęglowa).
2. Zakres niepewności lub  zakres błędu zwykle określany jest w oparciu o znane
zmiany poziomu 14C, jak i niepewność eksperymentalną.
3. Wiek radiowęglowy można skorygować przy użyciu wykresu krzywej
kalibracyjnej uzyskanej na podstawie niezależnych danych.
Należy zauważyć, że wszystkie
4. Korekcji podlegają również zmiany naturalnych stosunków izotopów dla próbek niezależne dane dotyczą wieku
pochodzących z różnych z
ródeł. poniżej <5000 lat.
Datowanie radiowęglowe  przykład do analizy Datowanie radiowęglowe za pomocą AMS
AMS posiada dwie główne zalety w stosunku do pomiarów aktywności.
Przykład: Próbka węgla w ilości 1g otrzymana z mchu torfowego posiada 1. Czułość. AMS może mierzyć próbki zawierające zaledwie kilka mg węgla, lub
14
też próbki znacznie starsze, w których frakcja pozostałego oryginalnego C jest
aktywność 0.350 mCi. Próbka odnośnika lub współczesnego standardu
bardzo mała. AMS posiada limit efektywności wynoszący około 26,000 lat, podczas
wykazuje aktywność 0.446 mCi. Jaki jest wiek próbki wg. metody
gdy wiek określany przez aktywność jest ograniczony do około 10,000 lat.
radiowęglowej?
2. Kalibracja wewnętrzna(wzorzec wewnętrzny?). AMS może mierzyć
W tej zależności
A0
�# ś#
stosunki wszystkich izotopów bezpośrednio. Oznacza to, że lokalne zmiany w
jednostki aktywności
t = 8033ln
ś# ź# 13
składzie izotopowym (frakcjonowanie) dla trwałych (12C i C) i nietrwałych (14C)
muszą być takie same
A
�# #
zarówno w liczniku jak i izotopów określa się in situ
zarówno w liczniku jak i izotopów określa się in situ.
mianowniku.
W AMS stosunki są często wyrażane jako odchylenia od standardu. Dla
0.446
�# ś#
= 8033ln
trwałych izotopów National Institute of Standards and Technology (NIST)
ś# ź#
0.350
�# #
podaje wartości Rstd=13C/12C = 0.011237. Odchylenia od tych wartości dla
Ten czynnik otrzymywany
jest z  okresu półtrwania różnych materiałów wyraża się w częściach na tysiąc (promil, lub 0 ).
= 1950 Years BP (zaokrąglony od 1947r.)
Libby ego i jest równy
5568/ln(2)
Jednostki czasu określane są przez jednostki
czynnika przed logarytmem lub okres
R - Rstd
półtrwania.
� = �1000
Rstd
Datowanie radiowęglowe za pomocą AMS  Całun Turyński
The  Bomb Pulse
Read the original scientific article at http://www.shroud.com/nature.htm
14
W 1989 roku AMS zastosowano w celu określenia wieku Całunu Turyńskiego
Poziom 14C obecnego w otoczeniu wzrasta wraz z ilością testów
Poziom C obecnego w otoczeniu wzrasta wraz z ilością testów
metodą datowania radiowęglowego. Każdą z badanych próbek stanowił 50mg
nuklearnych dokonywanych w atmosferze, osiągając rekordowe
nuklearnych dokonywanych w atmosferze, osiągając rekordowe
kawałek tkaniny, który był analizowany niezależnie przez trzy różne laboratoria.
wartości w roku 1962  zjawisko znane pod nazwą  Bomb Pulse.
wartości w roku 1962  zjawisko znane pod nazwą  Bomb Pulse.
Wartość �13C została zmierzona bezpośrednio i dała rezultat około -250 , który był
Został on dokładnie oznaczony w czasie jako odchylenie od wcześniejszego
zgodny ze standardami kalibracyjnymi dla tego rodzaju włókien (niezależnie od
stosunku izotopów, �14C, i może być stosowany w celu dokładnego określenia
wieku).
wieku materiałów zawierających węgiel.
Wiek radiowęglowy ( yg y �13C) został
ęg y (skorygowany na )
14
oznaczony ze stosunku C/13C jako 690ą30 years Przykład:
BP. Oznaczono także trzy podobne próbki " Datowanie wina & wykrywanie fałszywych etykiet i gatunków.
referencyjne: " Datowanie zbioru ? leków (narkotyków).
" 11-12 wieczne płótna datowane na 940y BP
" płótno z mumii Kleopatry datowano na 1960y
BP
" Nitki niezależnie datowano na 1300AD, 14C
datowano na 724y BP.
Konkluzja:
 ...płótno Całunu Turyńskiego pochodzi ze
Średniowiecza.
U.S. Department of Energy photograph http://www.nv.doe.gov/news&pubs/photos&films/atm.htm
2
Biologiczne efekty promieniowania Biologiczne efekty promieniowania
W jaki sposób różne formy promieniowania oddziałują z Jonizacja powoduje powstawanie wolnych rodników. Są to
(biologiczną) materią? wysoce reaktywne indywidua chemiczne.
N.p. Naświetlanie wody promieniowaniem gamma powoduje wyrzut
Podstawową cechą charakteryzującą promieniowanie
elektronu z utworzeniem jonorodnika
pochodzące z radioaktywności jest jego wysoka energia, oraz
to, że powoduje jonizację materii poprzez wyrzut elektronu z
ł
ł + H2O H2O+. + e-
2 2
atomu (ogólnie nazywane jest promieniowaniem jonizującym )
atomu (ogólnie nazywane jest promieniowaniem jonizującym.)
Obydwa produkty prowadzą do utworzenia większej liczby wolnych
Gdy promieniowanie zatrzymywane jest przez materię, oddziałuje z
rodników
nią, powodując w ten sposób jonizację.
H2O+ + H2O H3O+ + OH. e- + H2O H . + OH-
Promieniowanie o dużej przenikalności przechodzi przez materię nie
jonizując jej.
Wolne rodniki atakują biocząsteczki takie jak nici DNA lub membrany
Ochrona przed promieniowaniem i efektami biologicznymi leżą w lipidowe. Może to prowadzić (rzadko) do uszkodzeń genetycznych,
kręgu zainteresowań Fizyków sanitarnych. Nuclear facilities
nowotworów, uszkodzeń błon komórkowych lub upośledzenia funkcji
zatrudniają fizyków sanitarnych w celu szkolenia obsługi,
enzymów, które sterują procesami biologicznymi.
monitorowania czynności, oraz poszerzania protokołów
bezpieczeństwa.
Biologiczne efekty promieniowania Narażenie na promieniowanie
Siła przenikania promieniowania ą, � i ł: Narażenie biologiczne wzrasta za pośrednictwem różnorodnych
" ą są cząstkami ciężkimi, obdarzonymi wysokim ładunkiem. mechanizmów.
Gdy cząstka ą uderza w materię, zatrzymywana jest zaledwie przez
pojedynczą kartką papieru.
N.p. Ekspozycja bezpośrednia na z
ródło promieniowania (zewnętrzne)
Cząstki ą jonizują efektywnie powierzchnię materii, powodując
Ciało stałe lub ciecz: y
ródło zlokalizowane. Promieniowanie może być
uszkodzenia powierzchniowe.
ekranowane.
" �- są lżejsze i bardziej przenikliwe.
Gaz lub para: y
ródło rozproszone. Może dyfundować poza osłony.
Cząstka � może być zatrzymana przez warstwę składającą
Cząstka �- może być zatrzymana przez warstwę składającą
N.p. Skażenie (zewnętrzne i wewnętrzne)
się z kilku kartek papieru lub plastiku. Cząstki te mogą
powodować jonizację w głębszych warstwach niż cząstki ą.
Zewnętrzne: Przenoszenie materiału radioaktywnego na rękach, butach, etc&
" ł wysoce przenikliwe.
Wewnętrzne: Połykanie lub wdychanie.
Potrzebna jest kilkucentymetrowa warstwa wody aby stopniowo
osłabić i zatrzymać promieniowanie ł.
Ryzyko uszkodzenia poprzez cząstkę ą przez skażenie wewnętrzne jest
znacznie wyższe niż przez zewnętrzne, gdzie są one całkiem dobrze
Promieniowanie ł jest mniej wydajne, lecz powoduje uszkodzenia
wewnętrzne. zatrzymywane przez skórę.
" �+ wysoce jonizujące i posiadające dużą przenikliwość.
W celu dotarcia do szczegółowych danych, można użyć programu szkoleniowego dotyczącego bezpieczeństwa
Cząstki �+ reagują z elektronem powodując jonizację i 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
uwolnienie dwóch fotonów gamma w przeciwnym kierunku.
pracowników zatrudnionych przy reaktorze jądrowym w National Institute of Standards and Technology.
Biologiczne efekty promieniowania Jednostki dawki promieniowania
Dawka promieniowania (dla człowieka) mierzona jest w remach (lub
Okres półtrwania i uszkodzenia pod wpływem promieniowania
miliremach) lub Sieverts (Sv).
Dawka ma uwzględniać wszystkie czynniki, które mogą mieć wpływ na
Nuklidy o długim okresie półtrwania ulegają rozpadowi z mniejszą
organizm żywy - aktywność, energia, przenikanie, oraz masa materii żywej
częstotliwością .
podlegającej napromieniowaniu.
0.693
A = N = N Source Energy of Energy Relative Effective Dosage
t1 2
t1 2
Activity Radiation Absorbed per Biological Equivalent
Activity Radiation Absorbed per Biological Equivalent
unit mass Effectiveness
(dose)
Oznacza to dłuższe okresy półtrwania równe niższej (molowej)
10
aktywności, więc niższe potencjały jonizacji i uszkodzenia pod ą
wpływem promieniowania.
1
�, ł
Bq or Ci Joule Gray (J/kg) Q-factor rem = rad x Q
or Rad Sievert =Gy x Q
238
Z tego punktu widzenia U, posiadający okres półtrwania 4.5
1Sv = 100 rem
230
biliona lat, lub Th (T1/2= 83,000 lat) może powodować mniejsze
1Gy = 100 rad
3 234
uszkodzenia niż H (T1/2= 12 lat) lub Th (T1/2= 24.5 dni). Mniej przenikliwe
Energia na cząstkę x
Promieniowanie promieniowanie
aktywność x czas
powoduje więcej
rozproszone lub
ekspozycji
zlokalizowane uszkodzeń.
3
Dawki i efekty przez nie wywoływane Zwykłe z
ródła radioaktywności
Jesteśmy narażeni na niektóre zwykłe naturalne z
ródła radioaktywności.
Całkowita spodziewana dawka przypadająca na przeciętnego człowieka
Dają one dawkę około 300mrem/rok. Najbardziej powszechnym jest radon,
wynosi około 360 mrem/rok.
238
który znajduje się w serii rozpadu U i innych pierwiastków ciężkich, który
rozpada się do polonu z okresem półtrwania 3.82 dni.
Jakie mogą być krótkoterminowe efekty dawki promieniowania?
222 218 4
Rn Ż#Ż# Po + He

86 84 2
rozpad ą gazowego radonu powoduje uszkodzenia płuc i jest w ten sposób
25,000 mrem w 24h Brak mierzalnych efektów
odpowiedzialny za ok. 10% przypadków nowotworów płuc.
d i d i l k 10% dkó t ó ł
50,000 mrem w 24h Niewielkie czasowe zmiany we krwi
100,000 mrem w 24h Nudności & zmęczenie
Inne izotopy pochodzące z otoczenia zawierają
200,000 mrem w 24h Śmierć kliniczna (bez interwencji
40 40 0
K Ż#Ż# Ar + e

19 18 1
medycznej)
W postaci rozpuszczonych jonów potasu i
500,000 mrem w 24h LD50 (50% osób napromieniowanych
14 14 0
umiera.)
C Ż#Ż# N + e-

6 7 -1
N.B. Prawdopodobieństwo wystąpienia efektów długotrwałych wzrasta wraz z dawką.
Większość fizyków stosuje liniowy model bezprogowy. Oznacza to, że nie ma poziomu w CO2 i związkach organicznych.
napromieniowania, który nie wywoływałby efektów. Jednakże skala czasowa oraz
statystyczna natura tych efektów powoduje,że efekty wywołane niską dawką są trudne
do oznaczenia.
Nuklearny świt(po
Inne powszechne z
ródła radioaktywności Nuklearny świt(po
wybuchu nuklearnym)
wybuchu nuklearnym)
" Inne powszechne z
ródła radioaktywności obejmują promieniowanie
kosmiczne w wyższych warstwach atmosfery. Średnie roczne
6 Sierpnia 1945
6 Sierpnia 1945
napromieniowanie z tych z
ródeł na poziomie podstawowym wynosi
~26mremów.
" Lot samolotem trwający 4h zwiększa dawkę o kilka mremów.
" Napromieniowanie medyczne (promieniowanie X i medycyna nuklearna)
wynosi około 40mremów/rok
i k ł 40 / k
" Produkty konsumpcyjne ~10mremów/rok
" Opad promieniotwórczy <1mrema/rok
" Energia jądrowa ~.05mrema/rok
Czarnobyl, Ukraina
Czarnobyl, Ukraina
w kwietniu 1986 i w kwietniu 2001
w kwietniu 1986 i w kwietniu 2001
4