26-9 Rádiokarbónová metóda

26-9 Rádiokarbónová metóda

Vyššie spomenuté rádioaktívne látky sú väčšinou staré, ako Slnečná sústava, alebo ešte staršie, ale okrem nich nájdeme na Zemi aj množstvo rádioaktívnych prvkov, ktoré vznikajú neustále v zemskej atmosfére v dôsledku bombardovania kozmickým žiarením. Kozmické žiarenie pozostáva v prevažnej miere z protónov, gama častíc, z častíc alfa, v menšej miere z jadier ťažších atómov. Tieto častice sa pohybujú skoro rýchlosťou svetla (gama častice rýchlosťou svetla), a dopadajú na Zem zo všetkých strán. Ich pôvod nie vždy poznáme, môžu pochádzať z  výbuchov vzdialených supernov. Ich energia je niekedy tak vysoká, že fyzici občas stoja bezradne pred otázkou, aký mechanizmus im dokázal tú energiu dodať. Nech už prichádzajú odkiaľkoľvek, pri zrážke s atómami našej atmosféry majú dostatok energie, aby vytvorili nové častice, z ktorých niektoré sú „úlomkami“ zrážky, iné sa zase zrodia čisto z energie. Pomedzi vzniknutých častíc je veľa neutrónov, ktoré sami vyvolajú ďalšie premeny. Jedna takáto premena je jadrová reakcia medzi vysoko energetickým neutrónom a obyčajným atómom dusíka (14N) atmosféry. Táto reakcia vytvorí jeden rádioaktívny uhlík (14C) a protón

01n + 714N → 11H + 614C

Tieto nepretržite vznikajúce atómy 14C vstúpia do reakcie s kyslíkom atmosféry, a vytvoria oxid uhličitý. Nakoľko rastliny využívajú vo fotosyntéze oxid uhličitý atmosféry, rádioaktívny uhlík sa zabuduje do všetkých rastlín, čím sa každá rastlina stane mierne rádioaktívnou.

Keď strom vyrúbu, a jeho životné procesy ustanú, neprijme viac 14C, preto množstvo v ňom nahromadeného rádioaktívneho uhlíka (v dôsledku rádioaktívneho rozpadu) postupne klesá. Atóm 14C je beta žiarič

614C → 714N + −1 0β.

Nakoľko polčas rozpadu 14C je približne 5700 rokov, rozpad trvá niekoľko tisíc rokov. Ak v nejakom starom drevenom predmete určíme pomer 14C a bežného 12C, môžeme odhadnúť dátum jeho pôvodu. Prvé výskumy na tomto poli vykonal Willard Libby¹⁰ americký fyzik. Metóda 14C hrá rovnakú úlohu v presnom datovaní historických a prehistorických archeologických nálezov, akú hrá metóda U-Pb v geológii. Meranie rádioaktivity 14C v starých drevených artefaktoch je veľmi chúlostivá úloha, nakoľko toto žiarenie je bežne výrazne slabšie, než žiarenie nás obklopujúceho prostredia, tzv. rádioaktívne žiarenie pozadia (aj samotná osoba, ktorá vykonáva meranie má vo svojom tele vyššiu koncentráciu 14C, než je v skúmanej vzorke), alebo kozmické žiarenie.

Vzorku počas merania je nutné dôkladne tieniť, a merania je nutné vykonávať veľmi citlivými prístrojmi (schopných zachytiť každý jeden elektrón, každého jedného beta rozpadu.). Na obr. 26.5 ukazujeme pár príkladov na očakávanú a skutočne meranú koncentráciu 14C u predmetov, ktorých vek poznáme. Zo známych údajov dokážeme zmeraním koncentrácie 14C v  organickom artefakte určiť jeho vek.

Zmeraním koncentrácie 14C v stromoch, ktoré vyvrátili ľadovce sa zistilo, že k poslednému zaľadneniu Severnej Ameriky došlo výrazne neskôr, než sa predpokladalo.

Meranie aktivity 14C vo vzorke vyžaduje relatívne veľké množstvo vzorky, preto sa rozpracovala aj iná metóda pre určenie koncentrácie 14C, ktorá využíva hmotnostný spektrometer na separáciu bežného uhlíka a 14C. Tejto metóde postačuje veľmi malá vzorka, je výrazne menej citlivá na rušivé vplyvy.

Dnes už existujú rozsiahle databázy z letokruhov stromov a zo sedimentárnych vrstiev na dne morí a oceánov (sedimenty sa ukladajú tiež v ročných cykloch), pomocou ktorých vieme veľmi spoľahlivo zistiť aká bola koncentrácia 14C v danej dobe, dokonca niekedy aj v danej lokalite.