Subskrybuj nas na Youtube
Za każdym razem, kiedy archeolodzy odkopią szczątki ludzkiej osady, pojawia się wątek datowania radiowęglowego. Jednak ta metoda ma jedną wadę – od pobrania próbki do wyniku badania upływa sporo czasu
Bez tej metody nie sposób sobie wyobrazić współczesnej archeologii i antropologii. Datowaniu radiowęglowemu poddano m.in. zwoje znad Morza Martwego, zwane również rękopisami z Qumran, Całun Turyński i chustę z Oviedo. Sięgnięto po nie również, aby ustalić wiek zmumifikowanego człowieka znalezionego przez turystów w Alpach w 1991 r., znanego szerzej jako Ötzi.
Metoda ta dla nauki jest tak ważna, że jej odkrywca – Amerykanin Willard Libby – otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii już osiem lat po opublikowaniu zaledwie 111-stronicowej monografii, w której opisał metodę i jej zasady działania. Wcześniej ustalenie wieku znalezisk bywało problematyczne i pochłaniało mnóstwo czasu. Rewolucyjność metody odkrytej przez Libby’ego polegała na tym, że archeolodzy mogli przestać tracić czas na zajmowanie się wiekiem swoich wykopalisk, a mogli się skupić na ich znaczeniu. „Rzadko zdarza się, żeby jedno odkrycie z zakresu chemii miało wpływ na tyle dziedzin nauki” – napisał w uzasadnieniu komitet noblowski.
– Obecnie datowanie radiowęglowe to tak naprawdę dwie osobne metody: droższa zwana AMS, czyli akceleratorowa spektrometria mas, oraz tańsza LSC, spektrometria ciekłoscyntylacyjna. Jeśli jednak pomiar spektrometrią ciekłoscyntylacyjną ma być właściwy, próbka przed badaniem musi leżakować przez miesiąc. To pozwala nam zminimalizować efekt zanieczyszczeń radonem, który dostaje się do próbki z otoczenia – mówi dr Konrad Tudyka z Politechniki Śląskiej. Korzyść z zaproponowanej przez naukowców ze Śląska metody polega na tym, że leżakowanie staje się zbędne, skracając w ten sposób okres oczekiwania na wyniki o miesiąc (jednak przez wzgląd na konieczność przygotowania próbek nie jest to wciąż metoda dająca efekty od ręki).
Radioaktywny izotop węgla znajdujący się w centrum tej rewolucyjnej metody to węgiel C-14 (tzw. radiowęgiel), który został odkryty przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley w 1940 r. Jest to jeden z trzech naturalnie występujących izotopów tego pierwiastka. Wkrótce po jego odkryciu okazało się, że w największych ilościach jest on produkowany w atmosferze dzięki docierającemu do Ziemi promieniowaniu kosmicznemu o wysokiej energii. Pod jego wpływem w górnych warstwach atmosfery powstają neutrony (jedna z dwóch cząstek wchodzących w skład jąder atomowych). Neutron podczas reakcji z jądrami azotu N-14 tworzy natomiast węgiel C-14 i proton (druga z cząstek wchodzących w skład jąder atomowych).
Willard Libby przeczytał artykuł na temat kosmicznego pochodzenia radiowęgla w trakcie II wojny światowej. Wydedukował, że skoro izotop powstaje tu, na Ziemi, to musi stać się składnikiem globalnego obiegu węgla. A skoro tak, to może zostać wykorzystany do opracowania metody datowania przedmiotów, które składają się z materii organicznej. I nie mylił się. Tuż po powstaniu C-14 łączy się z tlenem, tworząc dwutlenek węgla. Ten jest wychwytywany przez rośliny, stając się po przekształceniach elementem ich tkanek, rośliny są oczywiście zjadane przez zwierzęta. W ten sposób izotop występuje praktycznie w całej żyjącej biosferze. Niebagatelny jest również fakt, że okres połowicznego rozpadu, a więc czas, po upłynięciu którego liczba radioaktywnych pierwiastków spada o połowę, wynosi w przypadku C-14 5,7 tys. lat. To oznacza, że datowanie radiowęglowe nadaje się do pomiarów przedmiotów i szczątków nie starszych niż 50-60 tys. lat. Dokładnie tyle, ile wynoszą dzieje ludzkiej cywilizacji – stąd znaczenie tej metody dla archeologów i antropologów.
Kluczem dla metody datowania radiowęglowego jest fakt, że węgiel C-14 przechodzi tzw. rozpad beta, w którym jeden z neutronów w jądrze atomowym zamienia się w proton, emitując jednocześnie elektron oraz elektronowe antyneutrino. Metody datowania bazują właśnie na tym zjawisku i polegają na zliczaniu każdego pojedynczego rozpadu. Wyniki są następnie analizowane, a wiek określany na podstawie liczby rozpadów zachodzących w czasie według zasady, że im mniej rozpadów zarejestruje aparatura, tym starszy jest przedmiot (założenie jest takie, że do przedmiotu międzyczasie nie dostał się „nowy” lub „stary” węgiel). Jak mówi dr Tudyka, istnieją jednak procedury, które pozwalają praktycznie na wyeliminowanie tego efektu ze znacznej części powszechnie badanych materiałów, jak np. drewno czy kości.
Problem polega na tym, że w podobny sposób rozpadają się pierwiastki, którymi próbki do datowania mogą zostać zanieczyszczone. Najpoważniejszym przeciwnikiem jest radon-222, który rozpada się najpierw do polonu-218, a następnie do ołowiu-214, bizmutu-214, polonu-214, ołowiu-210. Ołów-214 i bizmut-214 rozpadają się także przez rozpad beta, co zakłóca skuteczność metody opartej na zliczaniu tych właśnie rozpadów. – Zaproponowaliśmy rozwiązanie, w którym po prostu mierzymy energię i czasy pomiędzy rozpadami wszystkich radioizotopów w próbce. Wykorzystujemy dodatkowo fakt, że między rozpadem bizmutu-214 i polonu-214 w 95 proc. przypadków nie upływa więcej niż 800 mikrosekund. Wiedząc to, przy odpowiedniej analizie rozpadów jesteśmy w stanie z ogólnej liczby zliczeń usunąć te „fałszywe” zliczenia C-14, które pochodzą z produktów rozpadów radonu-222 – mówi naukowiec. Teoretycznie mogą się zdarzyć, przypadkowe impulsy w takim odstępie czasu, jednak jak zapewnia dr Tudyka, takie zdarzenie ma miejsce średnio raz na trzy dni, co nie ma wpływu na wynik przy tak dużych zanieczyszczeniach radonem, jakie obserwujemy.
Jak mówi naukowiec z Politechniki Śląskiej, wynalazek powstał w pewnym sensie przez przypadek. – Kilka lat temu wspólnie z prof. Andrzejem Bluszczem, dyrektorem Instytutu Fizyki Politechniki Śląskiej, budowaliśmy analizator amplitud, który mierzył również czasy pomiędzy rozpadami. Po wykonaniu urządzenia okazało się, że w literaturze naukowej wskazywano już wcześniej na możliwość użycia bizmutu-214 i polonu-214 do korekty zliczeń C-14, jednak nikt nie doprowadził tej metody do stanu, w którym mogłaby być wykorzystana w rutynowych pomiarach i dawałaby wiarygodne oraz powtarzalne wyniki – mówi dr Tudyka.
Ponieważ śląscy badacze mieli już na podorędziu urządzenie służące do analizy czasu pomiędzy poszczególnymi zliczeniami, postanowili sprawdzić, czy może ono usprawnić datowanie radiowęglowe. Wykonali więc w tym celu tuzin próbnych datowań przy użyciu swojej metody, a dla pewności, po okresie leżakowania, przebadali je ponownie za pomocą standardowej metody. Wyniki były dokładnie takie same.
Od tej pory Politechnika Śląska świadczy usługi w zakresie datowania radiowęglowego za pomocą metody opracowanej przez dra Tudykę. Co ciekawe, metoda ta używana jest nie tylko do datowania archeologicznego wykopalisk, lecz także w wielu badaniach geologicznych i dla potrzeb weryfikacji autentyczności żywności. Ponadto wykorzystywana jest do badania zawartości biokomponentów w biopaliwach. Jeśli bowiem zostały one wyprodukowane przy użyciu materiałów organicznych, będą zawierały węgiel C-14. Z kolei paliwo syntetyzowane radioaktywnego pierwiastka nie będzie zawierać, ponieważ nie zawierają go również produkty wejściowe, jak ropa, węgiel czy gaz ziemny. Z pewnością Willard Libby nie przewidział, że jego metoda będzie wykorzystana do walki z ekooszustami.
Eureka! DGP
Trwa druga edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”. Jego celem jest promocja polskiej nauki i potencjału twórczego naszych wynalazców. Co tydzień do 5 czerwca w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 54 nadesłanych przez 17 uczelni oraz 26 zgłoszonych przez 13 instytutów badawczych. Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi w czerwcu. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma – oraz kampania promocyjna o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora. W tym roku wszyscy uczestnicy konkursu zostaną zaproszeni do prezentacji swoich wynalazków podczas III Międzynarodowych Targów Innowacji i Nowych Technologii INNO-TECH EXPO, które odbędą się w dniach 15–16 października 2015 r. Prezentacja wynalazków na Targach Kielce będzie doskonałą okazją do nawiązania współpracy biznesowej, która zwiększy możliwości szybkiego wprowadzenia nowych produktów na rynek.
