PODSTAWY DATOWANIA RADIOWĘGLOWEGO

Transkrypt

1 Dni Otwarte Wydziału Chemii 2008 PODSTAWY DATOWANIA RADIOWĘGLOWEGO Andrzej Komosa Zakład Radiochemii i Chemii Koloidów UMCS 1

2 Nagroda Nobla z chemii w roku 1960 Willard Frank Libby Książka: Radiocarbon Dating 1952 Rzadko pojedyncze odkrycie w chemii ma taki wpływ na sposób myślenia w tak wielu dziedzinach ludzkiej działalności Komitet Noblowski

3 Węgiel ma 2 trwałe izotopy i 1 promieniotwórczy Izotopy trwałe 12 C - 98,89%, (jądro: 6p+6n) 13 C - 1,11% (jądro: 6p+7n) Izotop promieniotwórczy 14 C % (jądro: 6p+8n) 3

4 Izotop 14 C powstaje w atmosferze W wyniku reakcji jądrowej neutronów (pochodzących z promieniowania kosmicznego) z atomami azotu: 14 N + n = 14 C + p 4

5 Obieg węgla w przyrodzie Węgiel radioaktywny ulega szybkiemu utlenianiu do 14 CO 2 i pozostaje w atmosferze ok. 10 lat ulegając wymieszaniu z CO 2. W końcu dostaje się do wód i organizmów żywych (fotosynteza). Ustala się równowaga pomiędzy powstawaniem i ubywaniem 14 C ze środowiska. Więc stosunek atomów 14 C do 12 C w środowisku i organizmach żywych jest stały (w 1kg węgla występuje 230 rozpadów na sekundę 14 C) 5

6 Podstawa datowania radiowęglowego Ilość węgla radioaktywnego w żyjących organizmach jest stała i wynika z równowagi izotopów węgla w biosferze (stały stosunek 14 C/ 12 C) Po śmierci organizm przestaje wchłaniać węgiel, 14 C ulega rozpadowi, zatem zmniejsza się stosunek 14 C/ 12 C: start zegara radiowęglowego 14 C 14 N + β 6

7 Stosunek 14 C/ 12 C zmniejsza się Do połowy po 5730 latach Do ¼ po latach Do 0,1% po latach (granica możliwości pomiaru ilości radiowęgla w próbce) Procent pozostałych atomów ,5 6,25 3,125 1,56 0,78 0,39 0,195 0, T 1/2 7

8 Pomiar ilości 14 C wykonuje się mierząc liczbę emitowanych cząstek promieniowania β Próbka w postaci roztworu benzenowego 2,5 cm Naczynko pomiarowe Urządzenie pomiarowe 8

9 Przygotowanie próbek do pomiaru promieniowania Polega na przekształceniu próbki substancji organicznej w benzen w kolejnych etapach: Zwęglanie w 400 C Synteza węgliku litu w 800 C 2C + 2Li = Li 2 C 2 Hydroliza wytwarzanie acetylenu Li 2 C 2 + 2H 2 O = C 2 H 2 + 2LiOH Synteza benzenu w 55 C na katalizatorze V 2 O 5 3C 2 H 2 = C 6 H 6 9

10 Aparatura do otrzymywania benzenu z próbki Zwęglanie, synteza węgliku litu Hydroliza, synteza benzenu 10

11 Przebieg syntezy benzenu z analizowanej próbki drewna 11

12 Zwęglanie próbki w temperaturze 400 o C 12

13 Zwęglona próbka drewna 13

14 Wsypywanie metalicznego litu do reaktora 14

15 Umieszczanie reaktora w piecu 15

16 Synteza węgliku litu Li 2 C 2 w 800 C 2C + 2Li Li 2 C 2 pod zmniejszonym ciśnieniem 16

17 Stygnięcie reaktora po syntezie 17

18 Hydroliza węgliku litu do acetylenu Li 2 C 2 + 2H 2 O C 2 H 2 + 2LiOH 18

19 Zestalony acetylen C 2 H 2 19

20 Synteza benzenu w naczyniu z katalizatorem wanadowym: 3C 2 H 2 C 6 H 6, 55 C 20

21 Benzen zestalony przy pomocy ciekłego azotu (-196 C) 21

22 Pomiar promieniowania 14 C zawarty w próbce został wbudowany w cząsteczki benzenu Do benzenu dodaje się substancji wysyłającej światło pod wpływem promieniowania Mierzy się ilość emitowanego światła, która odpowiada ilości promieniowania β, czyli ilości 14 C 22

23 Obliczenie wieku radiowęglowego Trzeba zmierzyć ilość 14 C w próbce i we wzorcu o określonym składzie izotopowym i znanym wieku Otrzymuje się konwencjonalny wiek radiowęglowy w odniesieniu do roku 1950 (punkt zerowy na skali BP) Obliczenie wieku kalendarzowego wymaga odpowiedniej kalibracji 23

24 Dziękuję za uwagę Całun Turyński, którego wiek radiowęglowy określono na ok rok AD (3 niezależne laboratoria) 24

25 Aneks 25

26 Czynniki wpływające na określanie wieku Cykliczne zmiany aktywności słońca Efekty izotopowe (różnice w przyswajalności 14 C i 12 C) Efekt przemysłowy Efekt wybuchów termojądrowych 26

27 Kalibracja metodą dendrochronologiczną Drzewo ścięte w 1999 web.utk.edu Rok 1821 (wg. słojów) 27

28 Tworzenie skali dendrochronologicznej 28

29 Obliczanie wieku A t = 8033 ln A t = konwencjonalny wiek radiowęglowy [lata BP], 8033 = średni czas życia 14 C = 1/λ (dla T 1/2 = 5568 lat wg. Libby'ego), A SN = znormalizowana aktywność próbki (δ 13 C = -25 ), SN ON A ON = znormalizowana aktywność standardu np. NBS HOx I. 29

30 Znormalizowana aktywność A SN + C = AS ( δ ) 1000 A S = aktywność próbki bez tła [cpm] 30

31 Konwencja przedstawiania wyników wieku radiowęglowego stosuje się T ½ Libby'ego (5568, a nie Cambridge = 5730 lat), zakłada się stały poziom 14 C w atmosferze w przeszłości, stosuje się odpowiedni standard współczesny ok. 12,5dpm/g, mierzony wiek i pmc są normalizowane w stosunku do δ 13 C = -25, wiek odnosi się do roku 1950 (0 BP) jako wynik podaje się wiek konwencjonalny i wartość δ 13 C, inne korekcje (np. na efekt rezerwuarowy) podaje się oddzielnie 31

32 Zmianę stosunku 13 C do 12 C oznacza się jako δ 13 C [ ] Parametr ten wyznacza się dla danej próbki spektrometrem masowym Jego wartość wyznacza się względem standardowego składu izotopowego w atmosferze przed rokiem 1890 (przed epoką przemysłową) 32

33 Krzywa kalibracyjna 2000BP Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] Wiek konwencjonalny Radiocarbon determination 1500BP 1000BP 500BP 0BP CalBC/CalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD Calibrated date Wiek kalendarzowy 33

34 Przykładowy wynik obliczenia wieku kalendarzowego 1 - wiek konwencjonalny, 2 krzywa kalibracyjna 4 - wiek z prawdopodobieństwem 68% 34