Radiosüsiniku dateerimine (C14) selgitus, põhimõte ja piirangud

Radiosüsiniku dateerimine, tuntud ka kui C14 dateerimise meetod, on viis öelda, kui vana on objekt. See on üks radiomeetrilise dateerimise liike.

Meetodis kasutatakse radioaktiivset isotoopi süsinik-14. Enamik orgaanilist ainet sisaldab süsinikku. Süsinikul on erinevaid isotoope, mis tavaliselt ei ole radioaktiivsed. ^14C on radioaktiivne, selle poolväärtusaeg (aeg, mis kulub radioaktiivsuse vähenemiseks poole võrra) on umbes 5730 aastat. See võimaldab määrata süsinikku sisaldavate ainete vanust. Meetod töötab umbes 60 000 aasta vanuseni. Saadud kuupäevad kirjutatakse tavaliselt enne praegust aega ("praegune" on 1950).

Taimed võtavad fotosünteesi teel atmosfääri süsinikdioksiidi ja loomad söövad seda, seega vahetab iga elusolend oma eluaja jooksul pidevalt süsinikdioksiidi-14 oma keskkonnaga. Kui ta aga sureb, siis see vahetus lõpeb.

1958. aastal näitas Hessel de Vries, et süsinik-14 kontsentratsioon atmosfääris varieerub sõltuvalt ajast ja asukohast. Suhteliselt lühikese elueaga ^14C uueneb pidevalt kosmilise kiirte pommitamise tõttu atmosfääri lämmastikule. Kuna pommitamine on veidi varieeruv ja muudel põhjustel on ka orgaanilise aine ^{14C sisaldus} veidi varieeruv. See põhjustab vigu kronoloogias. Siiski saab alla 20 000 aasta tulemusi võrrelda dendrokronoloogiaga, mille aluseks on aastarõngad. Kõige täpsema töö jaoks kompenseeritakse kõikumised kalibreerimiskõverate abil.

Meetodi töötasid Willard Libby ja tema kolleegid Chicago Ülikoolis välja 1949. aastal. Selle töö eest pälvis ta 1960. aastal Nobeli keemiapreemia. Ta demonstreeris esimesena radiosüsiniku dateerimise täpsust, hinnates täpselt vana Egiptuse kuningliku praami puidu vanust, mille vanus oli teada ajaloolistest dokumentidest.

Põhimõte lühidalt

Radiosüsiniku (14C) tekkimine toimub peamiselt atmosfääris, kus kõrgeenergeetilised kosmilised kiired puudutavad lämmastikku ja muundavad ^14N ^→ ^14C. See radioaktiivne süsinik kombineerub hapnikuga ja satub atmosfäärilise süsinikdioksiidi kujul biosfääri läbi fotosünteesi. Elusorganismis hoitakse suhteilist tasakaalu atmosfääris oleva 14C ja stabiilse süsiniku (12C, 13C) hulga vahel. Kui organism sureb, peatub süsiniku vahetus ja ^14C hakkab radioaktiivselt lagunema ajas, mistõttu saab järejäänud 14C hulga mõõtmise põhjal öelda, kui kaua on möödunud organismi surmast.

Milliseid meetodeid kasutatakse?

Beeta-lugemine: traditsiooniline meetod, kus mõõdetakse beeta-osakeste emissiooni kiirust proovi radioaktiivsest lagunemisest.
AMS (Accelerator Mass Spectrometry): tänapäeval laialt kasutusel — loendab otseselt 14C tuumasid suhtes 12C ja 13C suhtes. Võimaldab määrata palju väiksemaid proove ja annab parema täpsuse ning suurema vanusevahemiku.

Proovivõtt ja ettevalmistus

Erinevad prooviliigid nõuavad erinevat eeltöötlust. Tavalised proovid on puidu ja söe tükid, luu (kollageen), taimne materjal, turvas, keraamika (orgaanilised jäägid), merekarbid jt. Eeltöötluse eesmärk on eemaldada hilisem saastumine ja konserveerivad ained. Levinud protseduurid:

ABA (hapet–aluselise–happe) pesu orgaaniliste saasteainete eemaldamiseks.
Luukollageeni ekstraheerimine ja vajadusel ultrafiltratsioon proteiiniliste fragmentide puhastamiseks.
Söe ja puidu puhastamine, eemaldades pinnasaaste ja humiinhapped.
Karbonaatide puhul (nt kestad) eraldi anorgaanilise süsiniku puhastamine.

Kalibreerimine ja täpsus

Raw 14C-vanused tuleb kalibreerida, sest atmosfääris 14C hulk ei ole ajalooliselt konstantne. Kalibreerimiskõverad (nt rahvusvahelised IntCal-kõverad) ühendavad dendrokronoloogia, korallide, jää- ja kivimproovide ning teiste arhiivide andmed, et teisendada 14C-aastad kalibreeritud kalendriaastateks (tavaliselt märgitakse cal BP või cal BC/AD). Dendrokronoloogia (aastarõngad) annab väga täpse kalibreerimispunkti viimastele tuhandeaastatele.

Tulemused esitatakse tavaliselt koos standardvea hinnanguga (nt 2500 ± 30 14C a BP). Pidage meeles, et "BP" tähendab "Before Present" ja selleks on leitud konventsiooniliselt aasta 1950.

Peamised piirangud ja tõlgendamise raskused

Vanusepiir: meetod on töökindel kuni ~50 000–60 000 aasta vanuseni — kaugemal on järelejäänud 14C nii vähe, et mõõtmine muutub ebakindlaks.
Saastumine: Hilisem sisseimbumine (humuse ained, mullaorganika, säilitusaineid) võib muuta näitajaid nooremaks või vanemaks. Korrapärane ettevalmistus on hädavajalik.
Reservuaari (mere) efekt: mereorganimed või kalad võivad näida mitu sajandit vanemad, sest ookeani sügavamatest veekihtidest pärinev süsinik on "vanem". Sarnased efektid võivad esineda magedaveetes (freshwater reservoir effect).
Isotoopne fraktsioneerumine: erinevad organismid ja eri metaboolsed protsessid annavad erineva 13C/12C suhte; seda korrigeeritakse δ13C mõõtmisega.
Inimtekkelised muutused: 20. sajandi tuumakatsetused tegid atmosfääri 14C hulga ajutiselt suuremaks ("bomb peak"), fossiilkütuste põletamine vähendab atmosfääri 14C (Suessi efekt). Need nähtused mõjutavad tänapäevaseid proove.

Rakendused

Radiosüsiniku dateerimist kasutatakse laialdaselt arheoloogias, paleoekoloogias, geoloogias, muinsuskaitses ja isegi kriminalistika ning kunstiajaloo uurimisel. Näited:

arheoloogiliste leidude kronoloogia määramine (kõrvaldatud puusöe, söe, luude ja puidu vanus),
klimaatiliste sündmuste kronoloogia rekonstrueerimine (turfist, turbast, muldadest),
tööriistade või ehitiste vanuse kinnitamine,
tüüpiliselt 20. sajandi suremiste järel kasutatav bomb-14C signaal forensikas.

Ajalooline märkus

Willard Libby ja tema meeskond arendasid välja meetodi 1949. aastal ja Libby sai selle töö eest 1960. aastal Nobeli keemiapreemia. Hilisemad uuringud, näiteks Hessel de Vriesi töö 1958. aastal, näitasid atmosfäärilise 14C hulga ajaloolisi kõikumisi ja sealt tekkis vajadus kalibreerimiskõverate järele.

Kokkuvõte: radiosüsiniku dateerimine on võimas ja laialt kasutatav meetod orgaaniliste materjalide vanuse määramiseks viimase ~50–60 tuhande aasta jooksul. Selle täpsus sõltub heast proovivalikust, korrektsest ettevalmistusest, sobivast analüüsimeetodist (nt AMS) ning kalibreerimisest, et arvestada atmosfääriliste ja reservoir-efektidega.

C14 kogus aatomkehas varieerub aja jooksul.

Atmosfääri 14C, Uus-Meremaa ja Austria. Uus-Meremaa kõver on representatiivne lõunapoolkeral, Austria kõver on representatiivne põhjapoolkeral. Atmosfääri tuumarelvakatsetused peaaegu kahekordistasid 14C kontsentratsiooni põhjapoolkeral.

Küsimused ja vastused

K: Mis on radiosüsiniku dateerimine?

V: Radiosüsiniku dateerimine, mida tuntakse ka C14 dateerimismeetodina, on viis, kuidas öelda, kui vana on mingi objekt. Tegemist on radiomeetrilise dateerimise liigiga, mis kasutab süsinikku sisaldavate ainete vanuse määramiseks radioaktiivset isotoopi süsinik-14.

K: Kuidas see toimib?

V: Meetodi puhul mõõdetakse radioaktiivse isotoobi süsinik-14 sisaldust orgaanilises aines. Nii kaua, kui miski on elus, vahetab see süsinik-14 oma keskkonnaga, kuid kui see sureb, siis see vahetus lõpeb. Mõõtes 14C sisaldust objektis ja võrreldes seda atmosfäärisisaldusega, saavad teadlased hinnata selle vanust kuni 60 000 aasta vanuseks.

K: Kes töötas selle meetodi välja?

V: Meetodi töötasid Willard Libby ja tema kolleegid Chicago Ülikoolis välja 1949. aastal. Selle töö eest sai ta 1960. aastal Nobeli keemiapreemia.

K: Kui täpne on radiosüsiniku dateerimine?

V: Üldiselt peetakse radiosüsiniku dateerimist täpseks kuni 20 000 aasta vanuseni, kui seda võrrelda dendrokronoloogiaga (aastarõngaste analüüs). Täpsemate tulemuste saamiseks kasutatakse kalibreerimiskõveraid, et kompenseerida atmosfääri taseme muutusi aja ja asukoha jooksul.

K: Mida kasutas Willard Libby täpsuse tõestamiseks? V: Täpsuse demonstreerimiseks hindas Willard Libby vanust vana Egiptuse kuningliku praami puidu puhul, mille vanus oli juba teada ajaloolistest dokumentidest.

K: Millist kiirgust kasutatakse radiosüsiniku dateerimisel?

V: Radiosüsiniku dateerimisel kasutatakse radioaktiivsete isotoopide, näiteks süsinik-14 kiirgust, mille poolväärtusaeg (aeg, mis kulub radioaktiivsuse vähenemiseks poole võrra) on 5730 aastat.