Datowanie radiowęglowe to metoda badania wieku przedmiotów oparta na pomiarze proporcji między izotopem promieniotwórczym węgla 14C a izotopami trwałymi 12C i 13C. Metoda dostępna w wielu laboratoriach, również w Polsce, opracowana została przez Willarda Libby'ego i jego współpracowników w 1949. Libby otrzymał za tę pracę nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1960 roku.
Spis treści |
W górnych warstwach atmosfery pod wpływem neutronów promieniowania kosmicznego cały czas zachodzi proces przemiany 14N w radioaktywny 14C w myśl reakcji:
Węgiel ten następnie rozchodzi się równomiernie w atmosferze i pod postacią dwutlenku węgla wchodzi poprzez fotosyntezę do organicznego obiegu węgla w przyrodzie. Tak długo jak organizm żyje, wymienia materię z otoczeniem i proporcje węgla radioaktywnego do stabilnego w materii żywej są podobne jak w atmosferze.
Sytuacja zmienia się jednak, gdy tylko organizm umrze - wymiana przestaje zachodzić, a izotop 14C z czasem rozpada się według reakcji:
Jego udział spada o połowę co każde około 5740 lat (jest to tzw. czas albo okres połowicznego rozpadu). Zanik izotopu 14C w stosunku do jego początkowej ilości przedstawia poniższa tabela.
| Czas (lata) | Względna ilość izotopu 14C |
|---|---|
| 0 | 100,00% |
| 1 | 99,99% |
| 2 | 99,98% |
| 5 | 99,94% |
| 10 | 99,88% |
| 20 | 99,76% |
| 50 | 99,40% |
| 100 | 98,80% |
| 200 | 97,61% |
| 500 | 94,14% |
| 1000 | 88,62% |
| 2000 | 78,54% |
| 5000 | 54,67% |
| 10000 | 29,89% |
| 20000 | 8,94% |
| 50000 | 0,24% |
Obecny udział izotopu radioaktywnego węgla do całości węgla w atmosferze ziemskiej oraz wodach powierzchniowych jest rzędu jednego atomu radioaktywnego na bilion (1012) atomów węgla (stężenie 1 ppt). Wartość ta jest zmienna w czasie, gdyż zależy od stężenia węgla w atmosferze oraz natężenia promieniowania kosmicznego.
By określić kiedy nastąpiło pobranie węgla z atmosfery do fotosyntezy i budowy danego organizmu, należy zmierzyć proporcję izotopu węgla 14C do całej zawartości węgla w badanych pozostałościach organizmu lub materiałów pochodzących z tego organizmu (np. drewna lub skóry). Następnie trzeba obliczyć, jak dawno temu próbka miała proporcje izotopów równe wówczas proporcji atmosferycznej.
Udział radiowęgla w ogóle węgla występującego w atmosferze można wyrazić wzorem:
Licznik zależy od ilości wytworzonego przez promieniowanie kosmiczne radiowęgla i nie zmienia się znacznie w badanym okresie. Znacznie gorzej jest z mianownikiem - ilość CO2 w atmosferze podlega częstym wahaniom, zwłaszcza w związku z procesami zlodowacenia. Z tego powodu na czysty wynik pomiarów radiowęglowych konieczne jest naniesienie poprawek.
W celu uzyskania większej dokładności datowania radiowęglowego stosuje się inne metody określania wieku materiału i porównuje się wyniki z datowaniem radiowęglowym. W ich wyniku uzyskuje się krzywe kalibracji. Najpowszechniej stosowane metody to: dendrochronologia, datowanie uranowo-torowe korali i chronologia tzw. warstw (warstewek ilastego osadu).
Maksymalny wiek próbek, dla których można stosować metodę datowania radiowęglowego to 58-62 tys. lat. W przypadku próbek starszych zawartość 14C jest na tyle mała, że jej pomiar obarczony jest dużym błędem.
Dokładność pomiaru spada też dla próbek z okresów nasycenia metody datowania radiowęglowego (ang. radiocarbon plateau), w których stężenie izotopu 14C w atmosferze ulegało zmianom w tempie podobnym do zaniku 14C w materiale wyniku rozpadu. W związku z tym zależność pomiędzy latami radiowęglowymi i chronologią bezwzględną (latami) - czyli tzw. krzywa kalibracji - przestaje być liniowa w tych obszarach czasowych i nasyca się (spłaszcza). Efekt taki miał miejsce m.in. 10 000 - 11 000 lat temu, podczas młodszego dryasu.
Wiek próbki obliczony na podstawie rozkładu izotopu promieniotwórczego nie jest dokładny, dlatego że zawartość atmosferycznego 14C nie była stała, lecz zmieniała się w wyniku zmian aktywności słonecznej. Potencjalnie koncentracje 14C zwiększają odległe zjawiska astrofizyczne, jak wybuchy supernowych czy rozbłyski gamma. Ilość trwałych izotopów węgla ulega rozcieńczaniu w wyniku uwolnienia węgla z naturalnych starych źródeł na Ziemi np. z osadów oceanicznych, bagiennych, erozji CaCO3, wybuchów wulkanów itp. Na niektóre procesy uwalniania ma wpływ klimat, a niektóre procesy związane z uwalnianiem wpływają na klimat. Na podstawie licznych pomiarów metodą radiowęglową oraz innymi metodami opracowano krzywą kalibracyjną datowania radiowęglowego (patrz rysunek), umożliwiającą określanie daty kalendarzowej próbki.
| |||||||||||||||||||
