Radiokarbondatering

Radiokarbondatering er en radiometrisk dateringsmetode som bruker den radioaktive isotopen karbon-14 ( 14 C) for å bestemme alderen på karbonholdige materialer opp til rundt 50 000 år . [ 2 ] 14C har en halveringstid på 5730 år , [ 3 ] [ 4 ] (som er svært kort sammenlignet med andre isotoper som brukes i radiometrisk datering) og henfaller til nitrogen . [ 5 ] I andre dateringsmetoder ble de tunge foreldreisotopene produsert ved nukleosyntese i supernovaer , noe som betyr at alle foreldreisotoper med kort halveringstid allerede burde være utdødd. 14 C skapes imidlertid kontinuerlig gjennom kollisjoner av kosmiske strålegenererte nøytroner med nitrogen i den øvre atmosfæren , og forblir dermed på et nesten konstant nivå på jorden. 14 C ender opp som en sporkomponent i atmosfærisk karbondioksid (CO 2 ).

En karbonbasert livsform tar inn karbon kontinuerlig gjennom hele livet. Planter tilegner seg det gjennom fotosyntese , og dyr gjennom konsum av planter og andre dyr. Når en organisme dør, slutter den å ta opp ny 14 C og den eksisterende isotopen henfaller i henhold til dens karakteristiske halveringstid. Andelen av 14 C som gjenstår når restene av organismen undersøkes gir en indikasjon på tiden som har gått siden dens død. Dette gjør 14C til en ideell metode for å datere alderen på bein eller restene av en organisme. Dateringsgrensen for 14C er mellom 58.000 og 62.000 år . [ 6 ]

14C - skapingshastigheten ser ut til å være omtrent konstant, ettersom krysssjekker av 14C-datering med andre dateringsmetoder viser at det gir konsistente resultater. Imidlertid kan lokale vulkanutbrudd eller andre hendelser som frigjør store mengder karbondioksid senke lokale 14C-konsentrasjoner og gi unøyaktige datoer. Utslipp av karbondioksid til biosfæren som følge av industrialisering har også redusert andelen 14 C med noen få prosent; og omvendt ble mengden 14 C økt ved overflatetester av atombomber tidlig på 1960-tallet. I tillegg ville en økning i solvinden eller jordens magnetfelt over dagens verdi redusere mengden 14 C som ble skapt i atmosfæren .

I arkeologi regnes det som en absolutt dateringsteknikk. I 1946 avslørte den amerikanske kjemikeren Willard Libby [ 7 ] mekanismene for dannelsen av isotopen 14C gjennom kjernefysiske reaksjoner i atmosfæren. Senere i 1949, mens han hadde sin stilling som professor ved University of Chicago , utviklet han metoden kjent som radiokarbondateringsmetoden . I 1960 ble Libby tildelt Nobelprisen i kjemi for sin 14C - dateringsmetode .

Grunnleggende kjemi

Det er tre naturlige isotoper av karbon i naturen : to av dem, karbon-12 og karbon-13 , er stabile og en tredje, karbon-14 , er ustabil eller radioaktiv. Den naturlige forekomsten av karbon-12 og karbon-13 er henholdsvis 98,89 % og 1,11 %, mens den for karbon-14 er 1,0· 10-10  %. Karbon-14 har en halveringstid på 5730±40 år og kunne ha forsvunnet fra jorden for lenge siden hvis det ikke hadde vært for konstant kosmisk strålepåvirkning på dinitrogen i atmosfæren . Denne prosessen, som også skjer i den nitrogenrike atmosfæren til Saturns satellitt Titan , begynner når kosmiske stråler treffer jordens atmosfære , og forårsaker forskjellige kjernereaksjoner , hvorav noen produserer nøytroner , som reagerer med noen atomer i molekylene av dinitrogen. (N 2 ) i atmosfæren:

Den høyeste produksjonen av karbon-14 skjer i høyder mellom 9 og 15 km, og på høye geomagnetiske breddegrader , men karbon-14 er jevnt fordelt over atmosfæren og reagerer med dioksygen for å danne karbondioksid (CO 2 ). Dette karbondioksidet absorberes også av havene og løses opp i vannet. Grovt sett kan det betraktes at den kosmiske strålefluksen er konstant over lange perioder og derfor at 14 C produseres med en konstant hastighet. På denne måten forblir forholdet mellom radioaktivt og ikke-radioaktivt karbon konstant i atmosfæren. Dette forholdet er omtrent 1 del per milliard (6 10 9 atomer per mol ). I 1958 viste Hessel de Vries [ 8 ] at konsentrasjonen av 14 C i atmosfæren varierer med tid og lokalt. For mer presise datoer må derfor disse variasjonene vurderes ved hjelp av kalibreringskurver.

Prosessen med fotosyntese inkorporerer det radioaktive karbonatomet i planter på en slik måte at forholdet 14 C/ 12 C i disse er lik atmosfæren. Dyrene inkorporerer, ved inntak, karbonet fra plantene, grunnen til at andelen også er lik. Etter døden til en levende organisme, blir ingen nye 14C-atomer inkorporert i vevene, og konsentrasjonen av 14C-isotopen synker når den omdannes til 12N ved radioaktivt forfall:

Beregning av alder

14C forfaller eksponentielt, det vil si at nedbrytningshastigheten avtar proporsjonalt med antall gjenværende atomer. Differensialligningen som styrer denne prosessen har formen:

hvis løsning er:

,

Hvor:

= antall 14 C-atomer i tid , det vil si det første øyeblikket hvor antall desintegrasjoner begynner å telles, = antall atomer som er igjen etter en tid har gått , = radioaktivt henfallskonstant, sannsynligheten for forfall per tidsenhet.

Den radioaktive nedbrytningskonstanten er relatert til halveringstiden ( ) og halveringstiden ( ) som følger:

Halveringstid: = . For 14 C = 5568 år. [ 9 ] Halveringstid: = . For 14 C = 8033 år.

Resultatene oppnådd med denne metoden er vanligvis gitt i år før nåtiden ("år BP"), som betyr at t(BP)=-t . Tatt i betraktning vil den (ukorrigerte) alderen til en prøve bli gitt av:

Eller, tilsvarende:

Y

Når den radiologiske alderen (målt i radiokarbonår) til prøven er oppnådd, oppnås den kronologiske alderen ved å bruke de tilsvarende kalibreringskurvene [ relatert henvisning ] .

Mål og skalaer

Målinger gjøres tradisjonelt ved å telle det radioaktive forfallet til individuelle karbonatomer ved gasproporsjonal telling eller væskescintillasjonstelling , men disse to teknikkene er relativt ufølsomme og utsatt for relativt store statistiske usikkerheter når prøvene er små (mindre enn 1 g) karbon) . Hvis det er lite karbon til å begynne med, betyr lang halveringstid at bare noen få atomer henfaller mens det forsøkes påvisning (4 atomer/s)/mol først etter døden, så for eksempel 1 ( atom/s)/mol etter 10.000 år). Følsomheten er økt ved bruk av teknikker basert på massespektrometri (AMS), der alle 14 C-atomer kan telles direkte, ikke bare de som forfaller i løpet av telleintervallet som er tildelt for hver analyse. AMS-teknikken gjør det mulig å datere prøver som inneholder bare noen få milligram karbon.

Rå (dvs. ukalibrerte ) radiokarbonalder, kjent som 14C eller radiokarbonalder , er uttrykt i år BP ( før nåtid - til i dag). Denne skalaen tilsvarer årene som har gått fra prøveeksemplarets død til år 1950 i vår kalender, dette er antall radiokarbonår før 1950 , basert på et nominelt (og forutsatt konstant) karbon-14-nivå i atmosfæren lik nivået fra 1950. Denne datoen er valgt etter avtale og fordi atomprøver i andre halvdel av det 20. århundre forårsaket alvorlige anomalier i de relative konsentrasjonskurvene til radioaktive isotoper i atmosfæren.

Datinglaboratorier gir normalt standardavviket . Normalt er det kun de statistiske tellefeilene som tas med i beregningen av dette standardavviket. Noen laboratorier har imidlertid en feilmultiplikator for å ta hensyn til andre feilkilder. Nylig har det blitt gjort forsøk på å bestemme den globale feilen ved målingen ved å bruke kontrollprøver av kjent alder og verifisert av internasjonale komiteer. [ 11 ] Fra og med 2008 er det mulig å datere en prøve til mindre enn 10 000 år med en nøyaktighet på bedre enn ±40 radiokarbonår. Denne feilen er imidlertid bare en del av den kronologiske dateringsfeilen.

Kalibrering

Radiologisk alder kan ikke brukes direkte som kronologisk alder, siden, som nevnt ovenfor, konsentrasjonen av 14 C i atmosfæren ikke er strengt konstant. Denne konsentrasjonen varierer som en funksjon av endringer i intensiteten til kosmisk stråling, som igjen påvirkes av variasjoner i jordens magnetosfære og i solaktivitet . I tillegg eksisterer det betydelige karbonlagre i form av organisk materiale, oppløst i havene, i havsedimenter ( metanhydrater ) og sedimentære bergarter . Endringer i jordens klima påvirker karbonstrømmene mellom disse reservoarene og atmosfæren, og endrer konsentrasjonen på 14 C i atmosfæren.

I tillegg til disse naturlige prosessene er menneskelig aktivitet også ansvarlig for deler av disse endringene. Fra begynnelsen av den industrielle revolusjonen på 1700 -tallet og frem til 1950 -tallet sank konsentrasjonen av 14 C som følge av utslipp av store mengder CO 2 som følge av industriell aktivitet og forbrenning av store mengder kull og olje . Denne nedgangen er kjent som Suess-effekten , og den påvirker også konsentrasjonen på 13 C. Men mellom 1950- og 1960 -tallet ble konsentrasjonen på 14 C doblet som et resultat av de atmosfæriske atomprøvene som ble utført i disse årene. På midten av 1990- tallet var nivået av 14 C i atmosfæren 20 % høyere enn i 1950. Av denne grunn blir oksalsyrereservene lagret i US National Institute of Standards , hvis radiokarboninnhold måles, tatt som referanse. standard anses som lik den for en treprøve fra 1950. [ 12 ]

Målemetoder

I utgangspunktet brukes tre forskjellige teknikker for å måle radiokarboninnholdet i en prøve: med en proporsjonal gassmåler ; med en væskescintillasjonsteller; og ved partikkelakseleratormassespektrometri [ 4 ] .

I det første tilfellet blir karbonet oppnådd i prøven omdannet til CO 2 og innført i en gasproporsjonal teller, som måler antall desintegrasjoner som produseres i prøven. Dette er den originale teknikken utviklet av Libby. Det har den ulempen at gitt den lave aktiviteten til 14 C og den svært lave konsentrasjonen i prøven, er strømtellere kun i stand til å detektere ca. 3 desintegrasjoner per sekund og mol i en typisk prøve. Siden den statistiske feilen i målingen er omvendt proporsjonal med kvadratroten av antall målte desintegrasjoner ( ), er det nødvendig med svært lang måletid samt større prøver (rundt 1 kg). I tillegg er det nødvendig med en større skjerming av detektoren for å beskytte den mot naturlig radioaktivitet.

Måling med væskescintillasjonstellere ble populært på 1960-tallet. I denne teknikken løses prøven i benzen og tilsettes en væske som scintillerer når den forfaller. Væskescintillasjonstellere har fordelen av høyere ytelse enn proporsjonale gasstelere. Imidlertid er de fortsatt påvirket av problemet med lav 14C-aktivitet og omgivelsesstråling.

Partikkelakseleratormassespektrometri er den mest moderne metoden. I den blir prøven ionisert og introdusert i en partikkelakselerator. Den resulterende strålen avbøyes av sterke magnetiske felt. Siden hver isotop av karbon har en annen masse, er avbøyningsvinkelen litt forskjellig for hver av dem, og det er mulig å måle de relative konsentrasjonene til hver av dem. Siden den ikke er avhengig av aktiviteten til prøven og er ufølsom for naturlig radioaktivitet, kan målinger av høyeste kvalitet oppnås med denne metoden. Konsentrasjoner opp til 10 -15 kan måles og mye mindre prøver (ned til 1 mg) er nødvendig. Således, for eksempel, i en 1 mg prøve som inneholder bare 40 000 14 C-atomer, kan en presisjon på 0,5 % oppnås, som representerer en feil på ca. 40 år.

Se også

Referanser

  1. ^ "Ales stenar" . Riksantikvaren i Sverige. 11. oktober 2006. Arkivert fra originalen 31. mars 2009 . Hentet 9. mars 2009 . 
  2. ↑ Plastino, W., Kaihola, L., Bartolomei, P. og Bella, F. (2001) Kosmisk bakgrunnsreduksjon i radiokarbonmåling ved scintillasjonsspektrometri ved det underjordiske laboratoriet i Gran Sasso , Radiocarbon , 43 : 157–161
  3. ^ Clark, R.M. (1975). "En kalibreringskurve for radiokarbondatoer" . Antikken 49 : 251-266. 
  4. ↑ Vasilyev, SS; V. A. Dergachev (2002). "Den ~2400-årige syklusen i atmosfærisk radiokarbonkonsentrasjon: Bispekter av 14 C -data over de siste 8000 årene" . Annales Geophysicae 20 (1): 115-120. Bibcode : 2002AnGeo..20..115V . doi : 10.5194/angeo-20-115-2002 . 
  5. ^ "Karbon-14 Dating" . www.chem.uwec.edu . Hentet 6. april 2016 . 
  6. ↑ Plastino, Wolfgang; Lauri Kaihola; Paolo Bartolomei; Francesco Bella (2001). "Kosmisk bakgrunnsreduksjon i radiokarbonmåling ved scintillasjonsspektrometri ved det underjordiske laboratoriet til Gran Sasso" . Radiokarbon 43 (2A): 157-161. 
  7. ↑ Libby, WF (1946). "Atmosfærisk helium-tre og radiokarbon fra kosmisk stråling." Phys. Rev., 69 : 671-672. 
  8. ^ de Vries, H. (1958). "Variasjon i konsentrasjonen av radiokarbon med tid og plassering på jorden." proc. Koninkl. Ned. Acad. Wetenschap . B61: 257-281. 
  9. ↑ Libby, WF. Radiokarbondatering. Andre utg. (Univ. Chicago Press, 1955)
  10. ↑ Stuiver, M., Reimer, PJ og Braziunas, TF (1998) Høypresisjon karbon-14-datering for terrestriske og marine prøver . Radiocarbon , 40 : 1127-1151
  11. ^ Scott, E.M. (2003). "Den fjerde internasjonale radiokarbonsammenligningen (FIRI).". Radiokarbon 45 : 135-285. 
  12. ↑ Radiokarbon (på engelsk)

Bibliografi

Eksterne lenker