radiouhlíková přeměna

Radiouhlíková přeměna
( Radiokarbonové datování )

Radiouhlíková metoda určování stáří archeologických nálezů, používaná od 50. let minulého století, je založena na tom, že uhlík v přírodě je směsí tří izotopů: stabilních 6C12 a 6C13 a radioaktivního izotopu 6C14. Poměr těchto tří izotopů je dlouhodobě konstantní. Do organismu během jeho života dostává s oxidem uhličitým uhlík ze vzduchu. Po smrti organismu přívod uhlíku ustává a původní poměr mezi izotopy v organických zbytcích se začíná měnit: množství stabilních izotopů se nemění, zatímco radioaktivního izotopu 6C14 postupně ubývá. Vyzařuje částici beta a mění se na izotop dusíku 7N14. Poločas přeměny 6C14 je 5 700 roků, za tuto dobu se na dusík přemění polovina jeho jader. V podstatě tedy stačí změřit podíl izotopu 6C12 v nalezeném vzorku a zpětně "dopočítat", kdy se začalo jeho množství snižovat.

Princip: působením kosmického záření v atmosféře kontinuálně vzniká radioaktivní 14C v reakci s neutrony:
14 + 0 14 + +p
Poločas přeměny 14C je 5730 roků, proto se v atmosféře nehromadí bez omezení. Za předpokladu časově neproměnného toku kosmického záření se postupně ustavila rovnováha mezi produkcí radioaktivního uhlíku a jeho úbytkem radioaktivní přeměnou a tedy i rovnovážný poměr mezi množstvím neaktivního a radioaktivního uhlíku v atmosféře (cca 1 g 14C na 1012 g vzdušného uhlíku). Ve formě CO 2 přechází uhlík dýcháním do biologických organismů, proto i v nich se vytvoří rovnovážná koncentrace 14C.

Po odumření rostliny či živočicha:
a) zastaví se přísun nového 14C do organismu,
b) původní rovnovážná koncentrace se poruší radioaktivní přeměnou 14C podle vztahu:
C(t) = C(0)e - t
C(0) - rovnovážná koncentrace 14C v organismu v okamžiku jeho smrti,
C(t) - koncentrace 14C po čase t od smrti, - přeměnová konstanta 14C.
První úspěchy metody: datování dřevěných předmětů ze staroegyptských hrobů, odhalení padělku faraonského sarkofágu, který původně oklamal i jednoho z nejvýznamnějších egyptologů své doby J. H. Breasteda.
Datovatelné nálezy: dřevo (i zuhelnatělé z dávných ohnišť), dřevěné uhlí, obilní zrna, kosti, rašelina, ulity a skořápky, usazeniny, papír, kůže atp. (v podstatě cokoliv organického původu).
Měřitelné stáří: do asi 50 000 let, chyba v optimálním případě i kolem 1%, s použitím urychlovače jako hmotnostního spektrometru lze jít i dále do minulosti, pak je však již měření zatíženo velkou chybou.
Nejdůležitější problémy metody:
a) obtížná detekce obsahu 14C - jedná se o velmi nízké aktivity zářiče nízkou energií a tedy špatně měřitelným zářením. Možnosti: detekce emitovaných částic speciálními detektory částic s velmi nízkým pozadím, v nichž musí být radioaktivní uhlík převeden přímo do jejich citlivého objemu, nebo přímé počítání jader 14C v hmotnostním spektrometru na bázi urychlovače nabitých částic. Obě varianty jsou náročné na přístrojové vybavení a tedy také nákladné.
b) proměnná rychlost vzniku 14C v důsledku změn zemského magnetického pole a tím i změn rychlosti produkce neutronů v atmosféře jako sekundárních částic kosmického záření - nutno korigovat např. podle dendrochronologické stupnice.

c) Destruktivnost metody - uhlík je nutné ze zkoumaného vzorku chemicky separovat a tím se vzorek zničí. To omezuje možnosti aplikace metody na takové objekty, ze kterých lze nenávratně odebrat dostatečně velký vzorek.

d) Omyl archeologa nebo historika ohledně vztahu datovaného předmětu k době, ze které pochází, metoda určuje vždy pouze dobu smrti příslušného biologického organismu.

e) Nestejná izotopová frakcionace při přechodu jednotlivých izotopů uhlíku do některých biologických organismů.

Poznámka:
Pozadí detektoru - signál, který detektor dává v případě, že není ozařován měřeným zdrojem záření. Je způsoben kosmickým zářením, přírodními radionuklidy v materiálech samotného detektoru i v okolí, šumem v elektronických obvodech atp. Potlačit je lze pečlivým výběrem materiálů detektoru, stíněním proti vnějšímu záření a vhodnými úpravami elektronických obvodů zpracovávajících signál.
Dendrochronologické datování je datování pomocí letokruhů stromů. Je založeno na myšlence, že v dané zeměpisné oblasti je sled širších letokruhů, odpovídajících teplým a vlhkým rokům, a užších letokruhů, odpovídajících sušším a chladnějším rokům, zcela charakteristický, protože je dán posloupností, v jaké za sebou takové roky následovaly. Na základě vzájemně na sebe navazujících vzorků dřeva z různých období lze tak sestavit stupnici sahající daleko do minulosti a s ní srovnávat sled letokruhů ve dřevě z nalezených objektů.
Izotopová frakcionace - izotopické složení prvků majících více stabilních izotopů je konstantní. Poměr různých stabilních izotopů však může být narušen při některých fyzikálních procesech, při nichž hraje roli nestejná hmotnost atomů (např. při difúzi).