Neděle, Únor 17

Radiouhlíkové datování: jak funguje nejrozšířenější datovací metoda

Radiouhlíkovou metodou lze datovat jakýkoliv organický materiál nebo objekt, obsahující jeho zbytky, například právě zuby. Zdroj: globalscience.ru
Radiouhlíkovou metodou lze datovat jakýkoliv organický materiál nebo objekt, obsahující jeho zbytky, například právě zuby. Zdroj: globalscience.ru

Jednou z nejrozšířenějších metod pro určování stáří organického materiálu, například rukopisů, mrtvých organismů nebo předmětů s vysokou historickou hodnotou je radiouhlíkové datování. V tomto článků, volně navazujícím na předchozí „díly seriálu“ o radioaktivitě v přírodě a jejich aplikacích (předchozí články zde a zde), se dozvíte, jak a proč tato metoda funguje, jaká jsou její omezení a nejznámější případy, kdy rozhodla historické nebo vědecké spory a poodkryla nám tajemství minulosti.

Co mají společného pravěká obilná zrna, kousky spáleného dřeva, středověká plátna a královské koruny významných evropských panovníků? Na první pohled možná nic, při bližším pohledu však můžeme najít společného jmenovatele. Je jím radiouhlíková metoda, jedna z metod, díky nimž jsou dnes vědci schopni s velkou přesností určovat stáří nejrůznějších archeologických předmětů. Tím výrazně napomáhají práci nejen archeologů a geologů, ale třeba i historiků umění. Radiouhlíková metoda je v současnosti široce užívaná technika s rozsáhlou oblastí využití.

Historie

William Frank Libby (1908-1980), americký chemik a otec radiouhlíkového datování. Zdroj: nobelprize.org
William Frank Libby (1908-1980), americký chemik a otec radiouhlíkového datování. Zdroj: nobelprize.org

U zrodu radiouhlíkové (neboli radiokarbonové) metody stál americký chemik Willard Frank Libby (1908–1980), jenž v roce 1947 předložil návrh na určování stáří založené na využití radioaktivního uhlíku. Nedlouho poté se svými studenty na Chicagské univerzitě provedl první měření a 4. března roku 1947 tak skupina obdržela výsledky vůbec prvního datování pomocí nové metody.

Od roku 1939 bylo známo, že kosmické záření produkuje spršky neutronů dopadající na atomy v zemské atmosféře. Tak mezi jinými vznikají i radioaktivní izotopy uhlíku – C14. Libby usoudil, že by se nepatrná množství tohoto izotopu měla také odjakživa vyskytovat v atmosférickém oxidu uhličitém.

Tento plyn přirozeně přechází do živých organizmů, v nichž se tak ustaví rovnováha mezi příjmem C14 a jeho úbytkem radioaktivní přeměnou. Po jejich smrti příjem ustane, takže koncentrace C14 dále pouze ubývá. Míru rozpadu lze změřit. Poločas přeměny (doba, za kterou se rozpadne polovina atomových jader ve sledovaném vzorku materiálu) tohoto izotopu byl přitom původně určen na 5 563 let (pozdějším měřením bylo zjištěno, že je trochu delší – 5 730 let). To je dostatečně dlouhá doba k tomu, aby radiouhlíková metoda dokázala objevovat nová fakta (při krátkém poločasu by se žádný atom nemusel dočkat našich dnů), ale na druhou stranu doba dostatečně krátká, aby umožnila datovat vzorky materiálů, které jsou v hledáčku archeologů (není například možné datovat přírodním uranem U238, i kdyby se vyskytoval v organizmech častěji – poločas je tak dlouhý, že stěží zaznamenáme jakoukoliv změnu v aktivitě po miliony let).

Libby ověřil přesnost své metody na vzorcích jedlí a sekvojí, jejichž věk byl zjištěn pomocí technik využívajících posloupnosti šířek jejich letokruhů, a na artefaktech jako dřevo z pohřební lodi faraona Sesostrise III, jehož stáří bylo již v té době také známo. Proměřením radioaktivity rostlinného a živočišného materiálu z různých míst Země od Severního k Jižnímu pólu Libby ukázal, že množství uhlíku C14 produkované kosmickým zářením se se zeměpisnou šířkou mění jen velmi málo.

V roce 1948 sestavila společnost American Anthropological Society pracovní výbor, jenž měl za cíl systematicky prověřit možnosti Libbyho metody. Sám Libby důkladně zkoumal její potenciál a po sedmi letech vydal knihu Radiocarbon dating, která je dodnes považována za základní publikaci v oboru. V roce 1960 mu byla za tento objev udělena Nobelova cena za chemii.

Libby dále datoval lněné obaly Svitků od Černého moře, chléb z Pompejí pohřbený erupcí Vesuvu v roce 79 n. l., dřevěné uhlí ze svatyně Stonehenge i kukuřičné klasy z jeskyně v Novém Mexiku. Ukázal, že poslední severoamerická doba ledová skončila před přibližně 10 000 lety, ne před 25 000 lety, jak se do té doby geologové domnívali.

V současnosti ve světě existuje více než stovka laboratoří, které se datováním s využitím radioaktivního uhlíku zabývají. Každý rok jimi projde řádově několik tisíc vzorků.

Vznik izotopu C14

Z vesmíru dopadá na zemskou atmosféru kosmické záření, což je proud urychlených částic dosud neznámého původu s velmi vysokou energií. Větší jeho část tvoří protony (okolo 88 %), přibližně 10 % tvoří jádra hélia (částice alfa), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % atomy těžkých prvků. Srážkami tohoto záření (označovaného jako primární) s částicemi atmosféry vzniká tzv. sekundární kosmické záření, které už dopadá přímo na zemský povrch. Kosmické záření vyvolávářadu jaderných reakcí, ve kterých se kontinuálně vytvářejí různé radioaktivní nuklidy. Jedním z nejvíce zastoupených je izotop uhlíku C14 vznikající srážkou atomu dusíku N14 s neutronem sekundárního kosmického záření. Reakce probíhá podle rovnice:

14N + n → 14C+ p

Uhlík C14 se utváří v horních vrstvách atmosféry, maximum jeho produkce se pohybuje ve výšce kolem 15 km nad zemí. V atmosféře se tento uhlík dále oxiduje na oxid uhličitý, který se míchá s jeho neaktivní formou obsahující neradioaktivní uhlík C12 a C13. V této podobě se fotosyntézou dostává uhlík do rostlin a s potravou do zvířat. Dochází i k výměně CO2 s uhličitany ve svrchních vrstvách vod oceánů.

Význam C14 pro datování radiouhlíkovou metodou

V atmosféře je nastolena rovnováha, kdy stejné množství radioaktivního uhlíku na jedné straně díky kosmickému záření vzniká a na druhé straně zaniká radioaktivní přeměnou, čímž se ustavuje i rovnovážný poměr mezi množstvím neaktivního a radioaktivního uhlíku v atmosféře. Izotopu C14 je v atmosféře nepatrné množství v porovnání se stabilními izotopy uhlíku. Na každých 1012 atomů C12 připadá jeden atom C14. C14 při rozpadu vyzařuje záření beta, které je tvořeno elektrony, a mění se na stabilní izotop dusíku N14.

Ve formě CO2 přechází uhlík dýcháním do organismů, a proto se i v nich vytvoří rovnovážná koncentrace C14. Dokud organizmus žije, tak si v těle udržuje konstantní zastoupení uhlíku C14, jehož hodnota je svázána s obsahem tohoto izotopu v atmosféře. Ve chvíli, kdy umře, však přestává uhlík z atmosféry přijímat a množství izotopu C14 tak začne rozpadem postupně klesat. Od toho okamžiku se tedy v těle začne měnit poměr mezi radioaktivním izotopem uhlíku C14 a stabilními izotopy C12 a C13, jejichž koncentrace zůstává v průběhu času stejná. Dobu, která uběhla od smrti zkoumaného organizmu, pak stanovíme z poměru mezi zastoupením radioaktivního a stabilního izotopu uhlíku nacházejících se v jeho těle.

Princip měření

Metoda v principu spočívá v tom, že ke zkoumání dostaneme vzorek materiálu organického původu a ze stanovení koncentrace uhlíku C14 v něm obsaženého dopočítáme jeho stáří. Víme, jaký měl vzorek obsah C14 v době smrti zkoumaného organizmu, a jeho současný stav. Známe také vzorec, jakým se snižuje koncentrace izotopu uhlíku v závislosti na čase. Z tohoto vzorce vyjádříme čas, dosadíme obě hodnoty koncentrací C14 a získáme tak dobu, která uplynula od smrti námi zkoumaného organizmu.

 

Graf, znázorňující závislost aktivity uhlíku C14 na čase. Je vidět, že v měřítku tisíců let poměrně prudce klesá, což umožňuje měřit stáří mrtvých organismů a některých dalších objektů. Zdroj: ohhs.ohsd.net
Graf, znázorňující závislost aktivity uhlíku C14 na čase. Je vidět, že v měřítku tisíců let poměrně prudce klesá, což umožňuje měřit stáří mrtvých organismů a některých dalších objektů. Zdroj: ohhs.ohsd.net

Vzorec, kterým se radioaktivní rozpad řídí, je následující:

C(t) = C(0)*exp(- lambda*t)

C(0) – rovnovážná koncentrace C14 v organizmu v okamžiku jeho smrti,

C(t) – koncentrace C14 po čase t uplynulém od smrti,

Lambda je přeměnová konstanta C14

Hodnotu C(0) lze získat ze současných vzorků téhož materiálu. Potíž však nastává v tom, že vlivem lidské činnosti byla rovnováha uhlíku v atmosféře narušena. S počátkem průmyslové revoluce se totiž kvůli spalování fosilních paliv začalo do ovzduší dostávat velké množství uhlíku pocházejícího z pozůstatků prastarých organizmů, který radioaktivní izotop neobsahuje. Následkem toho radiouhlíkové datování nelze použít na artefakty z posledních dvou století, protože vzorky z této doby vypadají jako podstatně starší. Dalším faktorem je produkce C14 při testech jaderných zbraní v padesátých a šedesátých letech minulého století, která jeho koncentraci naopak zvýšila. Nelze tedy vzít jakýkoli současný materiál, jako referenční vzorek je zpravidla uvažován pečlivě proměřený standard uložený v americkém National Institute of Standards and Technology (zdroj: zde).

Použití

Metoda je ze své podstaty použitelná na všechny materiály organického původu, jako je např. dřevo (včetně uhlíků z dávných ohnišť), dřevěné uhlí, kosti, rašelina, obilná zrna, papíri kůže. Ve výjimečných případech lze této techniky použít i při datování anorganických materiálů, do nichž se při jejich vzniku zabudovával atmosférický uhlík, a dále již nedocházelo k jeho výměně. Nejčastěji se jedná o různé formy uhličitanů (například krápníkovéútvary). Změřit koncentraci C(t) však není snadný úkol.

Radiouhlíkové datování je prakticky použitelné pro vzorky ne starší než 50 000 let. Chybu lze přitom snížit až na přibližně 1 %. Použitím urychlovače jako hmotnostního spektrometru lze datovat i starší vzorky, měření je potom však zatíženo velkou chybou.

Měření

Původní metoda spočívala v měření koncentrace izotopu C14 na základě jeho radioaktivní přeměny a emitovaného záření. To je však poměrně málo výrazné, elektrony, jež ho tvoří, mají relativně nízkou energii. Dále se C14 vyskytuje ve zkoumaných vzorcích v extrémně nízkých aktivitách. Obě tyto skutečnosti jsou důvodem pro extrahování C14 a jeho převedení přímo do detekčního média v detektoru ionizujícího záření.

Existují v principu tři techniky, jak měřicí postup zrealizovat. První a historicky nejstarší je technika založená na plynem plněném proporcionálním detektoru (typ detektoru podobný známějšímu Geiger-Müllerově počítači, který ale pracuje v jiné oblasti voltampérové charakteristiky). Uhlíkový vzorek je před měřením převeden na plynný oxid uhličitý nebo acetylen, měření samotné pak spočívá v počítání jednotlivých částic beta (tj. elektronů vzniklých jako produkt radioaktivního rozpadu) vyzařovaných daným vzorkem. Pro další informace týkající se detektorů lze nahlédnout sem.

Druhá technika, která dosáhla největší obliby v 60. letech minulého století, využívá kapalný scintilační detektor. V této metodě je vzorek nejprve převeden do kapalné podoby (obyčejně se jedná o benzen), do níž je následně přidán tzv. scintilátor (látka, která při interakci s ionizujícíčásticí vydává světelné záblesky, v našem případě tedy při interakci s částicí beta). Nádoba se vzorkem je poté vložena mezi dva fotonásobiče, přitom je každý záblesk brán v úvahu (tj. započítán) pouze pokud ho zaznamenají oba detektory. (Fotonásobič je detekční zařízení schopné zachytit nepatrná množství světla, více například tu resp. zde). Co se týče technických možností takovéto techniky, laboratoř v italském Udine například udávala maximální měřitelné stáří kolem 46 000 let.

Tyto způsoby měření jsou však zdlouhavé a celkově málo efektivní. Počínaje sedmdesátými léty minulého století se tak ke slovu začala dostávat v pořadí třetí technika, hmotnostní spektrometrie na urychlovačích (Accelerator Mass Spectrometry – AMS), která je několikařádově citlivější a k datování ji stačí kolem 1 mg uhlíku (byly datovány i vzorky s hmotnostmi pohybujícími se v řádech desítek mikrogramů, avšak s menší přesností). U předchozí metody bylo nutno používat řádově tisíckrát větší vzorky. Také časový dosah je u AMS metody větší a to až 50 000 let (teoreticky až 100 000 let, ale nepřesnost výsledku při velkých stářích extrémně narůstá), starší objekty však už datovat tímto způsobem nelze, za tak dlouhou dobu se totiž prakticky veškerý C14 rozpadne. Obecně také platí, že čím déle měření probíhá, tím větší je přesnost (resp. tím menší je nepřesnost) výsledku.

Princip AMS metody je takový, že uhlíkové atomy získané ze vzorku jsou nejprve ionizovány a poté urychleny na urychlovači. Urychlené ionty se nechají prolétat magnetickým polem kolmým ke směru jejich pohybu a následně dopadají na detektor. V současné době jsou používány nejčastěji lineární vysokonapěťové urychlovače. Vzhledem k tomu, že jsou ve vzorku zastoupeny různé izotopy stejného prvku o různých hmotnostech, vychylují se lehčí ionty v magnetickém poli více a těžší naopak méně. Vychýlené ionty dopadají na detektor počítající jednotlivé dopady. Z poměrného zastoupení jednotlivých izotopů lze následně spočíst stáří vzorku. Díky tomu, že tato metoda určuje přímo počet jednotlivých jader radioaktivního uhlíku, nikoliv aktivitu (tj. četnost měřených dějů je mnohonásobně větší) stačí mnohem menší vzorky a kratší doby měření.

Uvažujme následující příklad (převzato odsud): V 1 mg 5 000 let starého uhlíku je asi 20 milionů atomů C14. Pro detekci 10 000 impulsů záření beta, což je počet, při kterém se standardní odchylka pohybuje kolem 1 % a výsledek tak lze považovat za průkazný, by bylo třeba nepřetržitě měřit po dobu čtyř let. Při použití urychlovače lze z takového vzorku napočítat 10 000 iontů C14 k dosažení stejné statistické chyby za méně než hodinu.

 Nevýhody metody

Problémem s používáním uhlíku C14 je jeho obtížná detekce. Coby zářič vykazuje tento izotop v přírodě a v datovaných materiálech nízkou aktivitu a jím vysílané záření beta má malou energii. Řešením je využití speciálních detektorůčástic s velmi nízkým pozadím nebo metody AMS. Ale i tak je v prvním případě třeba měřit každý vzorek po dobu v řádu desítek až stovek hodin, aby bylo dosaženo dostatené přesnosti. Pozadím detektoru se rozumí signál, který z detektoru vychází, i když není ozařován, tedy šum. Tento signál je způsoben dopadajícím kosmickým zářením, šumem v elektronických obvodech zpracovávajících příchozí data nebo třeba přírodními radionuklidy obsaženými v materiálu samotného detektoru. Vhodným výběrem konstrukčních materiálů a úpravami elektronických obvodů lze naštěstí šum pozadí redukovat. Jak speciální detektory, tak AMS, jsou však složitá a nákladná zařízení.

Další překážkou je skutenost, že rychlost vzniku C14 není v atmosféře stálá. Mění se tak zastoupení tohoto izotopu ve vzduchu a je nutné provádět kalibrace a korekce měření. Magnetické pole Země, které je v čase proměnlivé, působí na protony v primárním kosmickém záření. To ovlivňuje rychlost produkce neutronů v atmosféře a tedy i produkci radioaktivního izotopu C14. Měření je pak potřeba kalibrovat například podle dendrochronologické stupnice.

 

Překvapivě jednou z velmi spolehlivých metod určování stáří je dendrochronologie - zjednodušeně řečeno "počítání letokruhů". Stromy, jejichž letokruhy jsou zřetelné, posloužily pro kalibraci radiouhlíkové metody. Zdroj: www.ansto.gov.au
Překvapivě jednou z velmi spolehlivých metod určování stáří je dendrochronologie – zjednodušeně řečeno „počítání letokruhů“. Stromy, jejichž letokruhy jsou zřetelné, posloužily pro kalibraci radiouhlíkové metody. Zdroj: www.ansto.gov.au

Dendrochronologické datování vychází z počítání jednotlivých letokruhů různě starých stromů. Širší letokruhy vznikají v teplých a vlhkých letech, užší letokruhy pak odpovídají sušším a chladnějším rokům. Sled takovýchto letokruhů proměnnéšířky je v dané zeměpisné oblasti zcela charakteristický, odpovídá sledu příhodnějších a méně příhodných roků. Sestavením takovýchto na sebe navazujících sledů z různě starých vzorků dřeva pak lze sestavit stupnici, která sahá daleko do minulosti. Datování nalezených vzorků dřeva pak probíhá porovnáváním sledu jejich letokruhů s touto stupnicí.

Výrazným negativem radiokarbonové metody je to, že před její aplikací je nutné ze vzorku chemicky odseparovat uhlík, na což je nejlepší metoda spálení – vzniklý oxid uhliitý lze pak snadno zredukovat na uhlík. To omezuje použitelnost metody jen na objekty, z nichž lze bez náhrady odebrat dostateně velký vzorek.

Nelze též zapomínat na nestejnou izotopovou frakcionaci. Pokud má daný prvek více stabilních izotopů, zůstává jejich poměr v přírodě konstantní. Při některých fyzikálních procesech, v nichž je nestejná hmotnost atomů důležitá (např. při difúzi), však může docházet k jeho narušení, což následně zkresluje získaná data týkající se množství uhlíku C14 ve vzorku.

Příklady užití

 

Turínské plátno - zatím největší senzace v dějinách radiouhlíkového datování. Zdroj: shroud.com
Turínské plátno – zatím největší senzace v dějinách radiouhlíkového datování. Zdroj: shroud.com

Pravděpodobně nejznámějším a nejkontroverznějším použitím radiouhlíkové metody, konkrétně AMS, je datování tzv. Turínského plátna. Jedná se o lněné plátno o rozměrech 4,36 x 1,10 m, které je uloženo v katedrále sv. Jana v Turíně a o kterém se mnoho věřících, ale i vědců, domnívá, že do něj bylo zabaleno tělo Ježíše Krista po jeho sejmutí z kříže. Na plátně je znatelný otisk mužské postavy bez přesných kontur. Toto tmavohnědé vyobrazení je navíc doplněno o rezavé skvrny od krve, jež jsou ohranieny dosti zřetelně. Dosud není zcela jasné, jak otisk vznikl.

V roce 1988 z něho byl oddělen 10 mm široký a 70 mm dlouhý proužek. Ten byl dále rozdělen na tři části, které putovaly do AMS laboratoří v Zurichu, Oxfordu a University of Arizona v Tucsonu. Všechny tři laboratoře shodně oznámily, že se stáří plátna pohybuje mezi roky 1290 a 1360, což je v dobré shodě s rokem 1353, o němž hovoří první historická zmínka. Nicméně se věřící i někteří vědci stále snaží výsledky vysvětlit tak, že získané datum neodpovídá skutečnému stáří plátna. Za možné důvody uvádějí např. požár v roce 1500, vliv bakterií a dalších mikroorganismů, uhlíku z dýmu svíček a další.

Dalším příkladem stanovení stáří historického artefaktu je mapa Vinlandu (ang. Vinland map). V Rare Book and Manuscript Library na Yale University je uložena mapa na pergamenu zobrazující mj. i „ostrov Vinland“, který měl kolem roku 1000 objevit Leif Erikson. Mapa je spojována s Basilejským koncilem (1438–1445) a kdyby byla autentická, jednalo by se o první známé kartografické zobrazení Ameriky, přibližně o 50 let starší než Kolumbovy plavby. AMS datováním pergamenu (nikoli kresby) se dospělo k datu 1434±11 n.l. Analýza pigmentů v inkoustu však toto stáří nepotvrdila a autenticita mapy je nadále diskutována.

Jako třetí příklad zde uvedeme datování (domnělé) koruny Karla Velikého. Stále neexistuje konsenzus ohledně jejího původu a stáří. Dnes je uchovávána v katedrále v italské Monze, doba jejího vzniku je však v závislosti na různých historických pramenech udávána v rozmezí několika staletí. V roce 1996 vědci provedli analýzu pojiva, kterým jsou v koruně upevněny drahé kameny, a zjistili, že se skládá ze směsi jílu a včelího vosku, a lze ho tedy datovat radiouhlíkovou metodou. Vzhledem k malému množství látky bylo nutno použít AMS, jejímž výsledkem bylo rozmezí let 700–780 n. l. Korunovace Karla Velikého je přitom podle dobových pramenů zasazována do roku 800 n. l.

Psáno ve spolupráci s prof. L. Musílkem z Katedry dozimetrie a aplikace ionizujícího záření FJFI ČVUT v Praze

 

3 Comments

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.