historia zastosowania
podstawy
W naturze występują trzy izotopy węgla C-12, C-13, C-14. Radioaktywny izotop C-14 powstaje w górnych warstwach atmosfery w skutek bombardowania jąder azotu neutronami wyzwolonymi w atmosferze przez promieniowanie kosmiczne docierające do Ziemi. Jądra atomowe tego izotopu są niestabilne, ponieważ zawierają za dużo neutronów - 8
( w odróżnieniu od C-12 i C-13 które zawierają odpowiednio po 6 i 7 neutronów) w związku z tym zmieniają się spontanicznie w jądra N. Proces ten jest jednak długotrwały. Obliczono, ze czas połowicznego rozpadu tego radioaktywnego izotopu wynosi 5730 lat.
Promieniotwórczy węgiel bierze udział w cyklicznym obiegu węgla w przyrodzie.
Pod postacią dwutlenku węgla podlega procesowi mieszania atmosferycznego. Jest absorbowany na powierzchnię mórz i oceanów, przyswajany przez rośliny, wraz z pożywieniem wchodzi w skład organizmów ludzi i zwierząt. W czasie życia organizmu koncentracja C-14 jest stała, od momentu ustania czynności biologicznych zachodzi stopniowy zanik tego izotopu. Wiedząc, jaki procent węgla atmosferycznego stanowi węgiel C-14 ( wartość ta nie zmieniła się znacznie w ciągu 10 tys. lat), wystarczy zmierzyć jaka ilość C-14 pozostała w naszym obiekcie. Krótko mówiąc, metoda radiowęglowa polega na wyznaczeniu ilości izotopu węgla C-14 w badanej próbce i porównaniu jej z zawartością tego izotopu w próbce wzorcowej.
Przyjmuje się umowny rok „zerowy” 1950, wszystkie daty radiowęglowe podawane są w latach BP (z ang. before present), czyli „przed rokiem 1950”.
procedura badawcza
pobieranie próbek:
Do oznaczania wieku metodą radiowęglową możemy użyć szczątków organicznych pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, a także niektórych materiałów nieorganicznych. (węgiel drzewny, drewno, gałązki, ziarno, kości, muszle morskie, rzeczne, z ujścia rzek, skóra, torf, koprolity, osady z dna jezior, gyttja, gleba, lód z wierceń, pyłek roślin, włosy, ceramika, rudy metali, malowidła naścienne, stal, meteoryty, jaja ptasie, koralowce, otwornice, nacieki jaskiniowe, tufy, ślady krwi, tkaniny, papier, pergamin, szczątki ryb, szczątki owadów, żywice, kleje, poroża, rogi, woda)
W miarę możliwości należy ograniczyć wszystkie czynności, nawet wstępne przygotowanie materiału, a po pobraniu próbek jak najszybciej dostarczyć do laboratorium.
Należy stosować przybory i naczynia metalowe lub szklane, jak również czyste worki z folii polietylenowej. Nie stosować narzędzi drewnianych lub plastikowych.
Ryzykowne jest wstępne suszenia próbek na odkrytej powierzchni, ze względu na możliwość zanieczyszczenia próbki - suszenie powinno odbywać się w pracowni, w suszarce elektrycznej w temperaturze 50-60°C
Wskazane jest wstępne oczyszczenie z piasku, mułu itp., nie powinno się poddawać próbki działaniu jakichkolwiek organicznych środków konserwujących
Do płukania próbek należy używać wody destylowanej, a nie bieżącej.
opis:
Po pobraniu wykonuje się jego opis, a także bezpośredniego otoczenia. Trzeba zanotować przerost korzeni, penetracje przez zwierzęta oraz wszystkie inne możliwości skażenia próbki młodszym materiałem organicznym itd. Opis powinien zawierać:
informację o warunkach zalegania i sposobie pobrania próbki
opis zabiegów wstępnych, jeśli miały miejsce
opcjonalnie opis stratygraficzny
informacja, czy możliwe jest ewentualne ponowne pobranie materiału do uzupełnienia badania
Szczegółowy opis umożliwi specjalistom radiowęglowym wybór optymalnej procedury przygotowania wstępnego próbki. Pobierając próbkę należy oszacować masę potrzebną do badań, biorąc pod uwagę czy mamy zamiar wysłać próbkę „na AMS” (spektrometrie masowa z użyciem akceleratora) czy do tzw. laboratorium konwencjonalnego- tu potrzebna jest 3 razy większa ilość próbek. Pamiętać należy, że ta metoda datowania jest wysoce inwazyjna i raz wykorzystanej próbki już nie odzyskamy. Oczywiście jeśli wyśle się do laboratorium więcej materiału badawczego pozwoli to specjalistom na wybranie najlepszego fragmentu do badań. Niewykorzystany materiał przechowuje się w laboratoriach przez jakiś czas i na życzenie zleceniodawcy odsyła się go powrotem.
preparatyka wstępna:
Jej zadaniem jest usunięcie wszelkich substancji organicznych obcego pochodzenia, które mogą zafałszować wynik
Próbki po pobraniu zmieniają radykalnie swoje środowisko ( co może powodować butwienie, gnicie, pleśnienie, ogólną destrukcję). Dlatego po tym zabiegu wysusza się je w warunkach laboratoryjnych w suszarce, w temperaturze 100 - 120°C. Alternatywą jest przechowywanie ich w lodówce.
Usuwa się zanieczyszczenia makroskopowe np. korzenie współczesnych roślin.
Większość laboratoriów stosuje procedurę AAA - Acid - Alkali - Acid, czyli naprzemienne płukanie próbki w roztworze kwasu, zasady i znów kwasu.
Procedura:
Aby policzyć izotopy C14 potrzebne są bardzo czułe aparaty, ponieważ cząsteczki beta wydawane przez ten węgiel posiadają niską energię i specyficzną aktywność. Liczenie komplikuje obecność dziesiątków tysięcy innych rozszczepień, które powoduje radioaktywność środowiska czy promienie kosmiczne.
Technika AMS, technika liczników proporcjonalnych i technika scyntylacyjna należą do 3 głównych metod pomiaru C-14. Wspólnym początkowym etapem dla nich wszystkich jest otrzymanie z próbki, która jest kawałek drewna, kości, itp., węgla w czystej postaci. Nie musi to być węgiel w sensie dosłownym. Czasami będzie to dwutlenek węgla otrzymany ze spalania próbki, jednak zawsze będzie to substancja bardzo czysta.
Technika AMS - Akcelerator Mass Soectrometry oznacza spektometrie masową
z użyciem akceleratora. C-14 ma masę 1,17 większą od C-12. Za pomocą akceleratora przyspiesza się jony do prędkości zbliżonej prędkości światła, po to by w układzie magnesów i pól elektrycznych udało się rozdzielić C-14 od C-13 i C-12. Spektrometr rozdziela izotopy podobnie jak pryzmat rozdziela światło. Rozdzielone izotopy należy zliczyć. Jednak jest do proces trudny ze względu na mały stosunek C-14 do pozostałych izotopów.
Technika liczników proporcjonalnych, jest łatwiejsza w stosunku to wyżej wymienionej. Fizycy zamiast odróżniać i zliczać poszczególne izotopy węgla, czekają aż niektóre z atomów C-14 same się ujawnia wysyłając cząstkę beta, czyli elektron który jest rejestrowany w tzw. liczniku proporcjonalnym. Mierzona próbka ma postać gazową - węgiel jest spalany w czystym tlenie. Rozpad C-14 zachodzi w każdej minucie. W gramie współczesnej próbki zachodzi ich 14 na minutę, przy materiale starszym analogicznie jest tych rozpadów mniej. Im krótszy czas pomiaru tym mniejsza dokładność próbki ( gdyż proces rozpadu jest przypadkowy - tak jak rzut monetą), jednak okres pomiaru nie może trwać nieskończenie długo gdyż wtedy wchodzą w grę inne źródła błędów pomiarowych. Średnio takie badanie trwa 2 doby.
Technika scyntylacyjna jest techniką podobną o techniki liczników proporcjonalnych, jednak w tej technice próbka ma postać cieczy - benzenu, a rozpad promieniotwórczego izotopu C-14 rejestruje się techniką scyntylacyjną. Scyntylacja to błysk światła powodowany przez cząstkę beta wyrzuconą przez jadro C-14. Ten bardzo słaby błysk rejestrowany jest przez fotopowielacz. Jak w poprzedniej technice tu również trzeba zliczyć dużą ilość impulsów co trwa od doby do dwóch.
ograniczenia i kłopoty
Zakłada, że procent C-14 w atmosferze pozostał bez zmian przez ostatnie 50 000 lat, co jest założeniem błędnym, m. in. przez wybuchy atomowe. Jest to tzw. kalibracja metody C-14. W początkowym okresie jej użycia nie stosowano kalibracji, a wiek nie korygowany w ten sposób określa się wiekiem konwencjonalnym (różni się on od wieku kalendarzowego). Z punktu widzenia badań archeologicznych ważna jest jedynie znajomość zależności miedzy konwencjonalną radiowęglowa skalą czasu a czasem rzeczywistym, jaki upłynął od określonego zdarzenia w czasie, wyrażanego w latach kalendarzowych. Dzięki rozwojowi innych metod datowania bezwzględnego - dendrochronologii, oraz coraz bardziej dokładnego datowania próbek o znanym wieku kalendarzowym, zostały opracowane krzywe kalibracyjne, sięgające około 6 tys. lat BP. Opracowano również metody wyznaczania wieku kalendarzowego, odpowiadającego konkretnym wartościom konwencjonalnego wieku radiowęglowego, uwzględniając zarówno dokładność daty konwencjonalnej, jak i skomplikowany kształt krzywej kalibracyjnej.
Błąd związany z 11-letnim cyklem zmian koncentracji izotopu C14 w atmosferze i biosferze - dotyczy to materiałów jednorocznych: zboża, sierść, trawy, len - wynosi 10-15 lat.
Wszelkie zanieczyszczenie próbki są przyczyną błędnych odczytów wieku materiału. Dla uzyskania najbardziej wiarygodnego wyniku należy zbadać kilka próbek, wynik podawany jest zawsze w przybliżeniu.
Do lat 80. XX wieku problemem była duża ilość materiału potrzebna do wykonania badania, aż do zastosowania techniki akceleratorowej spektrometrii masowej (AMS - Accelerator Mass Spectrometry),w związku z czym nie można było badać materiałów, którymi dysponowano w niedużej ilości.
Metoda jest najdokładniejsza dla próbek młodszych niż około 50 000 lat.
Proces badawczy powoduje bezpowrotne zniszczenie próbki, nie można nią badać materiałów bardzo rzadkich i cennych.
kto robi to w Polsce
Poznańskie Laboratorium Radiowęglowe (Laboratorium AMS) Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu.
Zakład Radiochemii i Chemii Koloidów Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie.
Zakład Zastosowań Radioizotopów Instytutu Fizyki Politechniki Śląskiej w Gliwicach.
Laboratorium pomiaru niskich aktywności izotopów naturalnych Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademi Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
Pracownia Radiochemiczna Muzeum Archeologicznego i Etnograficznego w Łodzi