Acasă Adult66 O privire la intalnirile Carbon

Adult66

O privire la intalnirile Carbon

151

Datarea cu carbon radioactiv determina varsta materialului organic prin analizarea raportului dintre diferiti izotopi de carbon dintr-un esantion. Tehnica a revolutionat arheologia cand a fost dezvoltata pentru prima data in anii 1950, dar este in prezent in pericol de emisii de combustibili fosili.

Carbonul este elementul principal in cenusa si carbune.

Imagine prin Pixabay.

Cunoscuta si sub denumirea de radiocarbon sau carbon-14 (nota stiintifica 14C), procedura se bazeaza pe cel mai rar izotop de carbon, carbon-14. Carbonul-14 este creat pe Pamant prin interactiunile dintre gazul de azot si radiatii, de obicei la nivelurile superioare ale atmosferei. Cu doar 0,0000000001% din carbonul din atmosfera de astazi fiind de 14C, este izotopul de carbon care apare in mod natural pe planeta noastra, celelalte fiind de 12C si 13C.

Spre deosebire de ceilalti izotopi, carbonul 14 nu este stabil, iar acesta se micsoreaza in timp. Timpul sau de injectie, timpul necesar pentru ca jumatatea tuturor celor 14C de atomi intr-un esantion sa se degradeze, este de 5.730 de ani. Combinand acea informatie, niste masini foarte scumpe, o mare parte de ghiciri educate si inele de copac antice permite cercetatorilor sa determine varsta unui esantion de material organic cu o precizie rezonabila.

Pare un pic de magie, nu-i asa? Sa aruncam o privire la modul in care functioneaza.

Cine a gandit-o?

Bazele teoretice ale datarii radiocarbonului au fost stabilite de o echipa de cercetare condusa de chimistul fizic american Willard Libby in 1949. Au fost primii care au calculat rata de descompunere radioactiva a carbonului-14 folosind pulbere neagra de carbon. Ca un test, au luat probe de lemn de salcam din mormintele a doi regi egipteni, Zoser si Sneferu, si le-au datat. Testul lor a aratat ca lemnul a fost taiat in 2800BC +/- 250, unde datarile independente anterioare au estimat ca proveneau de la 2625BC +/- 75 de ani – deci metoda lor a fost verificata, mai ales. Au existat inca unele defecte in abordare – rezultatele au fost usor defectate de testarea armelor nucleare la acea vreme – dar acestea au fost curand rezolvate. Una dintre cele mai importante modificari ale metodei initiale a fost stabilirea datei de calibrare (vom ajunge la acest lucru intr-un moment) la 1950.

Pentru munca sa, Willard Libby ar primi un premiu Nobel pentru chimie in 1960.

Cum functioneaza?

Majoritatea atomilor de carbon au 6 protoni, 6 neutroni si 6 electroni.

Imagine de domeniu public.

Carbonul-14 este creat in mod continuu in atmosfera superioara: radiatia cosmica ionizeaza atomii de gaz cu 14 azot (care este azot natural si are 7 protoni si 7 neutroni) in atomii de carbon-14 (care au 6 protoni si 8 neutroni). Interactiunile dintre radiatii si atmosfera in mare furnizeaza neutronii care se ciocnesc si scot protonii din atomul de azot. Proprietatile chimice ale unui atom (adica elementul) sunt un produs al numarului de protoni din nucleul sau, nu a masei sale totale – mai mult pe izotopi aici – deci acest lucru il transforma eficient in carbon-14.

Acesti atomi de 14C apoi se agita de oxigen pentru a deveni CO2 obisnuit, care este consumat de plante obisnuite prin fotosinteza, iar aceste plante sunt apoi consumate de animale obisnuite si asa mai departe. Acesta este procesul prin care 14C devine parte din toata materia organica. 14C are un timp de injumatatire de 5.730 de ani, ceea ce inseamna ca este nevoie de 5.730 de ani pentru jumatate din atomii de 14C intr-un esantion sa se degradeze in azot-14 si 5.730 in plus pentru jumatate din ceea ce este lasat sa se degradeze si asa mai departe.

Si iata lovitorul – cand aceste organisme mor, inceteaza sa mai ia carbon nou, inclusiv carbon-14. Intrucat acest din urma izotop nu este stabil, acesta se degradeaza in timp. Stim ritmul cu care il decadere; deci comparand raportul actual de atomi 12C la 14C intr-un esantion cu raportul initial, putem determina cat timp in urma a murit ceva.

Cum o facem?

Un dispozitiv AMS.

Imagine prin Wikimedia.

Exista trei modalitati principale de abordare a acestuia, fiecare cu nume care suna foarte usor: numararea proportionala a gazelor, numararea scintilatiei lichide si spectrometria de masa a acceleratorului.

Numararea proportionala a gazului masoara cantitatea de radiatie beta – genul de radiatii emise in timpul descompunerii radioactive – emisa de o proba. In esenta, implica masurarea nivelului de radiatie pe care il emite. Deoarece 14C este singurul izotop radioactiv din material organic, acest lucru va spune efectiv cat de mult este in esantion. Isi ia numele de la faptul ca esantionul trebuie transformat in dioxid de carbon (practic, ars) inainte de efectuarea acestei masurari.

Numararea scintilatiei lichide este o alta tehnica de datare a radiocarbonului cu cronometru. Functioneaza pe acelasi principiu ca si contorizarea proportionala a gazului, dar foloseste unelte diferite Proba este transformata intr-o forma lichida si un scintilator este scufundat in ea. Scintilatoarele sunt dispozitive care emit sclipiri de lumina la contactul cu o particula beta. Doua dispozitive suplimentare (fotomultiplicatoare) sunt utilizate pentru a detecta aceste licariri – atunci cand ambele se ridica pe el, se face o numarare.

Spectrometria de masa Accelerator (sau accelerata) este modul modern de a face lucrurile, iar de-a lungul timpului a devenit mai eficient, mai rapid si mai precis decat celelalte. Este destul de simplu, de fapt – calculati fizic numarul de 14C, 13C si 12C in esantion folosind un spectrometru de masa. AMS este preferat astazi pentru viteza si precizia sa, dar si pentru ca functioneaza cu mostre mult mai mici decat celelalte doua, ajutand la conservarea artefactelor pretioase. Pentru acest proces, atomii din esantion sunt ionizati (incarcati electric) si accelerati folosind magneti puternici pentru a elimina treptat cat mai multi atomi care nu sunt folositi la numarare. In cele din urma, izotopii carbon-14 trec intr-un detector impreuna cu alti alti atomi de carbon si acestia sunt folositi pentru a efectua masurarea.

Calibrarea

„Destul de repede dupa descoperirea radiocarbonelor, a devenit clar ca asumarea lui Libby de niveluri constante de 14C in atmosfera nu se pastreaza”, explica un articol publicat in 2008. „Nivelul este afectat de foarte multi factori complexi care s-au dovedit imposibili de modelat […], cum ar fi: cicluri solare, furtuni solare, variatii geomagnetice pe pamant si imbunatatirea imprevizibila a carbonului vechi din rezervoare substantiale precum oceanele. De asemenea, nivelul a fost afectat de activitatea umana; de exemplu, a crescut substantial din cauza testarii cu bombe atomice in anii 1950 si a scazut din nou mai recent din cauza eliberarii de carbon vechi in combustibili fosili. “

„In consecinta, datarea prin radiocarburi este viabila numai daca putem obtine o estimare a nivelului variabil de 14C in timp si astfel putem descrie functia care leaga varstele radiocarbonului cu varstele calendaristice.”

„Pune usor, avem nevoie de o curba de calibrare.”

O curba de calibrare marina pentru emisfera nordica care se extinde pana acum 50.000 de ani. Observati ca curba arata un interval (suprafata albastra) nu o singura valoare si ca acest interval devine mai larg (mai incert) cu cat departati.

Credite imagine Bronk Ramsey / PJ Reimer si colab., (2009), Radiocarbon.

In timp ce initial isi dezvoltau metoda de masurare a continutului de 14C, echipa lui Libby a subliniat posibilitatea ca raportul intre 12C si 14C in atmosfera sa nu ramana constant in timp, dar a presupus ca nu a avut cum sa corecteze acest lucru si a dorit. sa-si termine cercetarile. Pe masura ce intalnirile cu radiocarburi au observat o utilizare mai mare si incoerentele au inceput sa se monteze, cercetatorii au realizat ca partinirea lui era corecta si au stabilit sa „calibreze” metoda.

In prezent, data de calibrare folosita pentru datarea radiocarbonului este anul 1950. Cu alte cuvinte, esantioanele sunt comparate cu valoarea de baza a izotopilor 12C pana la 14C inregistrate in anii ’50. Daca un esantion contine 25% din carbonul 14 pe care asteptati sa-l vedeti intr-un organism care a murit in 1950, acesta ar fi de doua ori mai vechi decat timpul de injumatatire al izotopului (deci de doua ori 5.730, oferindu-i o varsta aspra de 11.460 de ani). Totusi, aceasta nu este varsta finala.

Toti pasii pe care i-am parcurs pana acum nu ne spun de ce varsta are un esantion, doar 14C contine. Dupa cum am vazut mai sus, datarea cu exactitate a unui astfel de esantion depinde de noi, stiind cat de mult a cuprins 14C. Pentru a sti asta, trebuie sa stim cat de mult a fost in atmosfera in timp ce organismul a trait. Acesta este procesul de calibrare: schimbarea nivelului initial asumat de carbon radioactiv. Este poate cel mai complicat pic din intregul proces.

„Conventia este de a presupune ca raportul [izotopul de carbon] a ramas constant in timp si apoi sa utilizeze calibrarea pentru a compensa faptul ca, in realitate, raportul se schimba”, a declarat Caitlin Buck, profesor la Departamentul de Matematica si Statisticile de la Universitatea din Sheffield au declarat pentru ZME Science. Profesorul Buck este specializat in aplicarea metodelor statistice la stiintele arheologice si paleo-ambientale si este coautorul lucrarii din 2008 de mai sus.

„La inceput, necesitatea calibrarii pare oarecum nefericita, dar, de fapt, ne permite sa compensam si alte cateva probleme de baza, cum ar fi faptul ca (la un moment dat) raportul din atmosfera nu este acelasi cu cel din oceanele. ”

Cele mai utilizate si fiabile metode de calibrare sunt pomii antici. Din moment ce copacii construiesc un nou set de inele in fiecare an, acestia actioneaza ca arhive 14C. Din datele din inelele arborelui, se poate construi o cronologie de niveluri de 14C. Liniile de timp din mai multi copaci ar fi apoi comparate si suprapuse, facand din aceasta cea mai exacta inregistrare a izotopului pe care il avem. Cel mai simplu mod de a face acest lucru ar fi sa gasiti un inel de arbore care sa contina acelasi raport de radiocarbon ca si proba dvs. Alte abordari includ curbele 14C compilate din alte surse sau pentru a testa artefacte care au fost datate in mod fiabil prin alte mijloace, desi aceasta este mai mult o situatie situationala, decat o solutie sistemica.

Cu toate acestea, variatiile anuale ale raportului de carbon sunt destul de mici, motiv pentru care datele de radiocarbon sunt adesea cu un interval de variatie „+/- ani”.

Datele necalibrate sunt notate cu unitatea BP, adica „radiocarbon cu ani inainte de prezent (1950)”.

Datele calibrate utilizeaza calBP-ul unitatii, „calibrat inainte de prezent”. Datele calibrate sunt estimarea finala pentru varsta esantionului, dar datele necalibrate sunt aratate de rutina pentru a permite recalibrarea pe masura ce intelegerea nivelurilor de 14C prin cresterea timpului creste. Cercetatorii depun un efort imens pentru extinderea curbei de calibrare (o cronologie a raporturilor 14C: 12C de-a lungul istoriei) si pentru a creste precizia acesteia. In prezent, curba se extinde pana la aproximativ 50.000 de ani in urma, dar cu un grad relativ de incertitudine in ceea ce priveste vechile ei atingeri.

Limitari si factori externi

Imagine prin Wikimedia.

Pentru inceput, daca nu se poate stabili un nivel de pornire fiabil pentru carbon-14, datarea cu radiocarbon nu poate fi utilizata pentru a determina cu exactitate varsta esantionului. Tehnica poate fi utilizata doar pentru a obtine probe pana la aproximativ 55-60.000 de ani (dupa care continutul de carbon 14 scade la niveluri neglijabile). De asemenea, este destul de scump – in special AMS – datorita echipamentului si personalului foarte sensibil si extrem de specializat necesar pentru derularea acestor proceduri. Apoi, exista si factori externi care pot arunca o cheie in actiunile de datare a radiocarbonului.

Carbon-14 este creat din interactiunea dintre radiatie si atmosfera, iar aparitia tehnologiei nucleare (cu multitudinea de arme si testari civile) a eliberat o cantitate mare de radiatii si materiale radioactive, conducand semnificativ raportul atmosferic.

„Esantioanele„ bomba ”[adica cele de dupa 1950] au concentratii foarte mari de 14 ° C, deci daca lucrati la probe foarte vechi pentru arheologie, este bine sa aveti linii de extractie separate pentru probele„ la nivel scazut ”, ”Thure Cerling, profesor distins de Geologie si Geofizica si profesor distins de biologie la Universitatea din Utah, a declarat ZME Science intr-un e-mail. „Este destul de usor sa contaminati esantioanele„ vechi ”cu 14C„ moderne ”, asa ca s-au depus multe eforturi pentru a face fata acestei probleme.”

Pe de alta parte, tot ceea ce testeaza armele nucleare face foarte usor sa dateze un esantion de materie organica care a crescut in aceasta perioada, fiind unul dintre motivele pentru care 1950 a fost selectata ca data de calibrare. „Materialul organic format in timpul sau dupa aceasta perioada poate fi datat prin radiocarbon folosind cresterea brusca si caderea constanta a concentratiei atmosferice de 14C, cunoscuta sub numele de curba cu bomba”, explica un document coautor de profesorul Thure in 2013.

El avertizeaza ca trebuie sa fiti „foarte atenti” pentru a preveni acest tip de contaminare, desi observa ca problema „este bine cunoscuta” si ca „majoritatea laboratoarelor moderne au luat suficiente precautii pentru ca nu este problema ca au fost 30 – 40 de ani in urma.”

Un alt element care afecteaza acest raport este utilizarea combustibililor fosili. Combustibilii fosili sunt originari din materie organica, dar pentru ca s-au format de-a lungul a milioane de ani, tot carbonul 14 pe care l-ar fi putut contine s-a degradat. Deci, atunci cand sunt arse si carbonul lor eliberat ca CO2 in atmosfera, este carbonul pur-12. Acest lucru afecteaza in continuare raportul de izotopi de carbon si o face foarte repede, afectand fiabilitatea eforturilor noastre de intalnire. Impreuna, acesti doi factori atesta amploarea pe care a reusit-o umanitatea pe Pamant.

Contaminarea cu material extern precum solul poate modifica varsta aparenta a unei probe prin amestecarea in carbon suplimentar; prin urmare, toate esantioanele sunt curatate complet cu agenti chimici pentru a elimina contaminantii. Efectele rezervorului – aceasta se refera la faptul ca apa oceanica contine un raport diferit de izotopi de carbon decat atmosfera – trebuie sa fie luate in considerare atunci cand se trateaza probe care au fost scufundate sau provenite din medii acvatice.

In incheiere

Datarea cu radiocarbon a revolutionat arheologia si antropologia, oferind cercetatorilor un instrument rapid si de incredere pentru a materializa materiale organice. A fost o binecuvantare a acestor campuri, una ale carei merite sunt foarte greu de supraevaluat. Atat prof. Buck, cat si prof. Cerling au subliniat capacitatea metodei de a produce masuratori absolute ale varstei pentru elemente de interes – prof. Cerling spunand ca „a revolutionat arheologia” – ceea ce ne-a permis sa facem capete si cozi de cronologie istorica. Abordari anterioare, cum ar fi seriatia, ar putea fi folosite doar pentru a dat date structurilor, culturilor si artefactelor in raport cu unele prin altele prin aplicarea ampla a timpului si a muncii bune, de moda veche.

„De asemenea, este foarte util pentru a determina varsta ghetii in miezurile de gheata care inregistreaza istoria CO2 si metan in atmosfera”, mi-a spus prof. Cerling.

Dar carbonul radioactiv nu este util doar pentru intalnirile. Folosita ca molecula marker, poate permite cercetatorilor sa urmareasca, de exemplu, medicamente specifice pe masura ce se raspandesc prin corp, cum se deplaseaza masele de apa prin oceane, cum circula carbonul in natura si chiar in mediul criminalistic pentru a determina cand o persoana necunoscuta decedat.

Nu este rau pentru un izotop instabil al elementului cel mai abundent al Pamantului.

O privire la intalnirile Carbon

Cine a gandit-o?

Cum functioneaza?

Cum o facem?

Calibrarea

Limitari si factori externi

In incheiere

Populare

Afla cum iti poti lansa o mica afacere folosind un spatiu...

Top 10 cele mai supraevaluate filme din toate timpurile

10 regizori care au facut un film de groaza si au...

10 documentare care au schimbat perceptia publicului

Top 10 interviuri controversate cu celebritati din toate timpurile

Top 10 cele mai memorabile momente ale premiilor Oscar

Cum se schimba viata atunci cand intri in cercurile sociale ale...

10 povesti ciudate din lumea rap pe care sa le cunosti

10 secrete intunecate din lumea surprinzator de rasucita a K-Pop

10 melodii rock inspirate de evenimente groaznice