Radiokarbonové datování

Radiokarbonové datování je druh radioizotopové datovací metody používané k určení stáří organických pozůstatků měřením obsahu radioaktivního izotopu 14 C ve vztahu ke stabilním izotopům uhlíku . Radiokarbonové datování navrhl Willard Libby v roce 1946 , za což mu byla v roce 1960 udělena Nobelova cena za chemii . Metoda je založena na tom, že živé organismy absorbují s potravou jak neradioaktivní, tak radioaktivní uhlík, který neustále vzniká v atmosféře vlivem kosmického záření na atmosférický dusík. Po smrti živočicha nebo rostliny ustává výměna uhlíku s okolím, 14 C ve zbytcích se postupně rozkládá a jeho zbytkovou specifickou aktivitou lze odhadnout dobu smrti organismu. Pro upřesnění věku je nutné použít kalibrační křivky. V roce 2020 byly přijaty nové verze kalibračních křivek pro severní polokouli (IntCal20) [1] , jižní polokouli (SHCal20) [2] a mořské vzorky (Marine20) [3] , které umožňují datovat vzorky staré až 55 000 let [ 4] [5] .

Fyzické základy

Uhlík , který je jedním z hlavních prvků ve složení biologických organismů, je přítomen v zemské atmosféře ve formě stabilních izotopů 12C (98,89 %) a 13C ( 1,11 %) a radioaktivního 14C , který je přítomen ve stopách . množství (asi 10–10  %). Izotop 14C se neustále tvoří především v horních vrstvách atmosféry ve výšce 12–15 km při srážce sekundárních neutronů z kosmického záření s jádry atmosférického dusíku:

Ročně se v zemské atmosféře vytvoří v průměru asi 7,5 kg radiokarbonu s celkovým množstvím ~ 75 tun .

Vznik radiokarbonu v důsledku přirozené radioaktivity na povrchu Země je zanedbatelný.

Radioizotop uhlíku 14 C podléhá β − rozpadu s poločasem T 1/2 = 5,70 ± 0,03 tisíc let [6] , rozpadová konstanta λ = 1,216 10 −4 rok −1 :

Poměr radioaktivních a stabilních izotopů uhlíku v atmosféře a v biosféře je přibližně stejný v důsledku aktivního promíchávání atmosféry, protože všechny živé organismy jsou neustále zapojeny do metabolismu uhlíku, přijímají uhlík z prostředí, a izotopy v důsledku jejich chemická nerozlišitelnost, účastní se biochemických procesů prakticky stejně.

Specifická aktivita uhlíku v živých organismech vyměňujících uhlík s atmosférickým rezervoárem odpovídá atmosférickému obsahu radiokarbonu a je 13,56 ± 0,07 rozpadů za minutu na gram uhlíku. Smrtí organismu ustává metabolismus uhlíku. Poté jsou zachovány stabilní izotopy a radioaktivní ( 14 C) se postupně rozkládá, v důsledku čehož jeho obsah ve zbytcích postupně klesá. Při znalosti počátečního poměru obsahu izotopů v těle a stanovení jejich aktuálního poměru v biologickém materiálu metodou hmotnostní spektrometrie nebo měřením aktivity dozimetrickými metodami je možné stanovit dobu, která uplynula od smrti organismu. .

Použití

Pro určení stáří se z fragmentu zkoumaného vzorku uvolní uhlík (spálením dříve vyčištěného fragmentu), u uvolněného uhlíku se změří radioaktivita a na základě toho se určí poměr izotopů, který ukazuje stáří vzorku. Vzorky. Vzorek uhlíku pro měření aktivity se obvykle zavádí do plynu, který je naplněn proporcionálním čítačem nebo do kapalinového scintilátoru . V poslední době se pro velmi nízké obsahy 14 C a/nebo velmi malé hmotnosti vzorků (několik mg) používá hmotnostní spektrometrie urychlovače , která umožňuje přímo stanovit obsah 14 C. Pro rok 2020 platí věková hranice vzorek, který lze přesně určit radiokarbonovým datováním, je asi 55 000 let [5] , tedy asi 10 poločasů rozpadu. Během této doby se obsah 14C sníží téměř 1000krát (až na asi 1 rozpad za hodinu na gram uhlíku).

Měření stáří předmětu radiouhlíkovou metodou je možné pouze v případě, že za dobu jeho existence nedošlo k porušení izotopového poměru ve vzorku, to znamená, že vzorek nebyl kontaminován uhlíkatými materiály pozdějšího nebo dřívějšího původu, radioaktivních látek a nebyl vystaven silným zdrojům záření. Stanovení stáří takto kontaminovaných vzorků může vést k velkým chybám. Během desetiletí od vývoje metody bylo nashromážděno velké množství zkušeností s detekcí kontaminantů a čištěním vzorků z nich. Pro datování se nejméně kontaminované složky izolují ze vzorků chemickými metodami. Radiokarbonové datování rostlinných zbytků využívá celulózu , zatímco datování kostí, rohů a dalších živočišných zbytků uvolňuje kolagen . Je také možné datovat podle zbytků mastných kyselin, jako je palmitová a stearová , například keramika [7] [8] . Chyba metody pro rok 2019 se pohybuje od 24 let (vzorky z počátku 15. století) do 1600 let (vzorky ~47 tisíciletí př . n. l. ) [9] .

Jedním z nejznámějších případů použití radiouhlíkové metody je studium úlomků Turínského plátna provedené v roce 1988 současně v několika laboratořích slepou metodou . Radiokarbonová analýza umožnila datovat rubáš do období 11. - 13. století . Skeptici považují tento výsledek za potvrzení, že rubáš je středověký padělek. Zastánci pravosti relikvie považují získaná data za výsledek kontaminace rubáše uhlíkem při požáru a následném omývání ve vroucím oleji v 16. století.

Kalibrace a přesnost metody

Libbyho výchozí předpoklady, na kterých je založena metoda radiokarbonového datování, jsou takové, že poměr izotopů uhlíku v atmosféře se v čase a prostoru nemění a obsah izotopů v živých organismech přesně odpovídá aktuálnímu stavu atmosféry. Jak však bylo později zjištěno, tyto předpoklady jsou platné pouze přibližně. Obsah izotopu 14C v atmosféře závisí na mnoha faktorech, jako jsou:

Poslední dva faktory znemožňují provést přesné radiokarbonové datování vzorků 20. století.

Studie navíc ukázaly, že v důsledku rozdílů v atomových hmotnostech izotopů uhlíku probíhají chemické reakce a procesy v živých organismech mírně odlišnou rychlostí, což porušuje přirozený poměr izotopů (tzv. efekt frakcionace izotopů ) [12 ] . Dalším důležitým efektem (efekt rezervoáru ) je opožděné dosažení radiokarbonové rovnováhy ve Světovém oceánu v důsledku jeho pomalé [13] výměny uhlíku s atmosférickým rezervoárem, která, pokud není korigována, vede ke zjevnému zvýšení stáří pozůstatků. mořských organismů, jakož i těch suchozemských organismů, jejichž strava se skládala převážně z mořské potravy. Pochopení procesů spojených s metabolismem uhlíku v přírodě a vlivu těchto procesů na poměr izotopů v biologických objektech nebylo okamžitě dosaženo. Použití radiouhlíkové metody bez zohlednění těchto vlivů a jimi zavedených korekcí tedy může generovat významné chyby (řádu tisíciletí), které se často stávaly v raných fázích vývoje metody, až do 70. .

V současné době byla pro správnou aplikaci metody provedena důkladná kalibrace s přihlédnutím ke změně poměru izotopů pro různé doby a geografické oblasti, jakož i ke specifikům akumulace radioaktivních izotopů v živých bytostech. a rostliny. Ke kalibraci metody se používá stanovení poměru izotopů pro objekty, jejichž absolutní datování je známé. Jedním ze zdrojů kalibračních dat je dendrochronologie . Zřetelná izotopová stopa ze sluneční bouře roku 992 byla nalezena v archivech letokruhů z celého světa [14] (viz Miyake Events ). Stanovení stáří vzorků radiokarbonovou metodou jsme také porovnali s výsledky jiných izotopových datovacích metod. V současné době se jako standardní kalibrační křivka používá IntCal, jejíž první verze byla publikována v roce 1998 (viz obr.) [10] . V letech 2004, 2009 [15] a 2013 byly publikovány následující revidované verze kalibrační křivky používané k převodu naměřeného radiokarbonového stáří vzorku na absolutní stáří . Kalibrační křivka IntCal13 je vynesena samostatně pro severní a jižní (SHCal13) polokouli, pokrývající posledních 50 000 let a odvozená z tisíců měření přesně datovaných letokruhů (posledních 12 000 let ), ročních korálových porostů a ložisek foraminifer . Porovnání sedimentů na dně japonského jezera Suigetsu za období před 12 000 až 40 tisíci lety s informacemi získanými dendrochronology při analýze letokruhů vedlo k zavedení korekcí, které posunuly data o 300–400 let zpět [ 16] [17] . Kalibrace na moři se provádí na samostatné křivce Marine13, protože rychlost výměny uhlíku v mořské nádrži je pomalejší než atmosférická.

Ve své moderní podobě, díky vytvoření kalibračních škál IntCal20, SHCal20 a Marine20 v historickém intervalu (od desítek let do 55 tisíc let v minulosti), lze radiokarbonovou metodu považovat za poměrně spolehlivou a kvalitativně kalibrovanou nezávislou metodu pro datování předmětů biologického původu.

Od roku 2019 je mezní přesnost radiokarbonového datování 15 let (dvě směrodatné odchylky , 95% spolehlivost ), zatímco pro většinu časových období za poslední tři tisíce let bude chyba měření způsobená chybami v kalibrační křivce minimálně 50 let a za posledních deset tisíc let - nejméně 100 let. Menší chyby je dosaženo v obdobích, kdy se obsah 14 C v atmosféře mění poměrně rychle (strmé části kalibrační křivky), přičemž citlivost metody je horší na plochých částech kalibrační křivky. Chyba závisí také na stavu vzorků a na chemickém prostředí, ve kterém se nacházely. Při odborném vyšetření radiokarbonovou metodou odborník většinou udává interval spolehlivosti , ve kterém se chyba ve stanoveném stáří konkrétního vzorku nachází [9] .

Je třeba poznamenat, že při určování stáří radioaktivního uhlíku pomocí kalibrační křivky se používá podmíněný "Libbyho poločas rozpadu" pro 14 C, který se podle konvence rovná 5568 rokům . Liší se od poločasu rozpadu 5,70 ± 0,03 tisíc let , zprůměrovaného přes nejpřesnější laboratorní měření a citovaného v databázích jaderné fyziky [6] . Tato úmluva byla přijata v roce 1962, aby byla zachována kompatibilita s dřívějšími pracemi. Rozdíl mezi podmíněným poločasem rozpadu a skutečným poločasem rozpadu je již zohledněn v kalibračních křivkách, takže z nich získané kalibrované radiokarbonové stáří je v souladu s absolutním astronomickým časovým měřítkem (to však neplatí pro podmíněné „ nekalibrovaný“ nebo „konvenční“ věk, vstupní parametr kalibrační křivky) [18] .

Kritika metody

Navzdory skutečnosti, že radiokarbonové datování je již dlouho součástí vědecké praxe a je široce používáno, existuje kritika této metody v téměř vědeckých publikacích a na internetu, což zpochybňuje platnost jejího použití pro datování historických artefaktů (zejména pozdější období). Radiokarbonové datování je obvykle kritizováno zastánci „ vědeckého kreacionismu “, „ nové chronologie “ a dalších pseudovědeckých konceptů. Některé příklady námitek proti radiokarbonovému datování jsou uvedeny v části Kritika přírodovědných metod ve Fomenko's New Chronology . Typicky je taková kritika radiouhlíkové analýzy založena na nejstarších vědeckých publikacích odrážejících stav metodologie v 60. letech a na nepochopení základů metody a kalibračních prvků [19] .

Vliv emisí fosilního uhlíku

V roce 2015 H. Graven ( Imperial College London ) vypočítal [20] , že další spalování fosilních paliv současným tempem v důsledku emise „starověkého“ uhlíku do atmosféry povede k nerozeznání radiokarbonových moderních vzorků od starších [21 ] [22 ] (ačkoli vzorky, které vznikly před industrializací a nevyměňují uhlík s atmosférou, tento efekt samozřejmě ovlivněn není). V současnosti vede uvolňování fosilního uhlíku do atmosféry ke zjevnému „stárnutí“ atmosférického uhlíku přibližně o 30 let ročně [20] .

Viz také

Literatura

Poznámky

  1. ↑ Reimer PJ a kol. The IntCal20 Northern Hemisphere Radiocarbon Age Calibration Curve (0–55 cal kBP)  (anglicky)  // Radiocarbon. - 2020. - Sv. 62 , č. 4 . - str. 725-757 . — ISSN 0033-8222 . - doi : 10.1017/RDC.2020.41 .
  2. ↑ Hogg A.G. a kol. Kalibrace SHCal20 pro jižní polokouli, 0–55 000 let cal BP   // Radiocarbon . - 2020. - Sv. 62 , č. 4 . - str. 759-778 . — ISSN 0033-8222 . - doi : 10.1017/RDC.2020.59 .
  3. ↑ Heaton TJ a kol. Marine20—The Marine Radiocarbon Age Calibration Curve (0–55 000 cal BP  )  // Radiocarbon. - 2020. - Sv. 62 , č. 4 . - str. 779-820 . — ISSN 0033-8222 . - doi : 10.1017/RDC.2020.68 .
  4. ↑ van der Plicht J. et al. Nedávný vývoj v kalibraci pro archeologické a environmentální vzorky  (anglicky)  // Radiocarbon. - 2020. - S. 1-23 . — ISSN 1945-5755 0033-8222, 1945-5755 . - doi : 10.1017/RDC.2020.22 .
  5. ↑ 1 2 Kuzmin Ya. V. Nová kalibrační stupnice radiokarbonových dat IntCal20 a její možnosti (11.09.2020). Získáno 17. dubna 2022. Archivováno z originálu dne 2. března 2021.
  6. ↑ 1 2 Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. , Audi G. Hodnocení jaderných vlastností Nubase2020  // Chinese Physics  C. - 2021. - Sv. 45 , iss. 3 . - S. 030001-1-030001-180 . - doi : 10.1088/1674-1137/abddae .Otevřený přístup
  7. ↑ Casanova E. a kol. Přesné datování 14 C archeologických keramických nádob  (anglicky)  // Nature . - 2020. - Sv. 580 . - S. 506-510 .
  8. ↑ Archeologie v roce 2020: deset zajímavých akcí (recenzi připravil E. Antonov) // Věda a život . - 2021. - č. 2 . - S. 13 .
  9. ↑ 1 2 Světlík I. a kol. Nejlepší možné časové rozlišení: Jak přesná by mohla být metoda radiokarbonového datování?  (anglicky)  // Radiocarbon. - 2019. - Sv. 61 , iss. 6 . - S. 1729-1740 . — ISSN 1945-5755 0033-8222, 1945-5755 . - doi : 10.1017/RDC.2019.134 . Archivováno z originálu 29. ledna 2022. Otevřený přístup
  10. ↑ 1 2 Stuiver M., Reimer PJ, Braziunas TF Vysoce přesná radiokarbonová kalibrace stáří pro pozemské a mořské vzorky  (anglicky)  // Radiocarbon. - 1998. - Sv. 40 , iss. 3 . - S. 1127-1151 . Otevřený přístup
  11. ↑ Heaton TJ a kol. Přístup IntCal20 ke konstrukci radiokarbonové kalibrační křivky: Nová metodika využívající Bayesovské splajny a chyby ve proměnných   // Radiocarbon . - 2020. - Sv. 62 , iss. 4 . - S. 821-863 . - doi : 10.1017/RDC.2020.46 . Otevřený přístup
  12. ↑ G. A. Wagner , str. 164.
  13. ↑ Charakteristická doba homogenizace uhlíku v oceánech je asi 1000 let.
  14. ↑ Margot Kuitems a kol. Důkaz pro evropskou přítomnost v Americe v ad 1021 Archivováno 7. listopadu 2021 na Wayback Machine // Nature, 20. října 2021
  15. ↑ Doplňková data IntCal09 (downlink) . Datum přístupu: 27. března 2010. Archivováno z originálu 16. února 2010. 
  16. ↑ Nová chronologie od Suigetsu . Získáno 27. října 2012. Archivováno z originálu dne 4. února 2022.
  17. ↑ Bronk Ramsey C. a kol. Kompletní pozemní radiokarbonový záznam pro 11,2 až 52,8 kyr BP   // Science . — Sv. 338.- Iss. 6105 . - S. 370-374. - doi : 10.1126/science.1226660 .
  18. ↑ Bowman S. Radiocarbonová seznamka  . - Londýn: British Museum Press, 1995. - ISBN 978-0-7141-2047-8 .
  19. ↑ Levchenko V. O „radiokarbonu očima Fomenka“ a „vědeckých“ základech Nové chronologie: polemické poznámky Archivní kopie z 18. června 2010 na Wayback Machine
  20. ↑ 1 2 Graven Heather D. Vliv emisí fosilních paliv na atmosférický radiokarbon a různé aplikace radiokarbonu v průběhu tohoto století  // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2015. - 20. července ( roč. 112 , č. 31 ). - S. 9542-9545 . — ISSN 0027-8424 . - doi : 10.1073/pnas.1504467112 .
  21. ↑ [1] . Archivováno z originálu 6. srpna 2015.
  22. ↑ [2] . Archivováno z originálu 27. července 2015.

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích