Karbon-14 datering av organisk materiale og dets bruksområder

KJM3900 prosjektoppgave våren 2015

Skrevet av Jan Thomas Riddervold

Alt som lever har store mengder karbon i seg. Radioaktivt karbon, som lages i atmosføren, er blandet med stabilt karbon og har et kjent forholdstall. Når en organisk organisme dør vil det ikke lenger tilføres radiokarbon og vi kan derfor bruke forholdstallet som en klokke til å anslå hvor lenge siden det er organismen døde.

Karbon er det sjette grunnstoffet i det periodiske systemet og er et av de viktigste grunnstoffene i verden. Atomet består vanligvis av en kjerne med seks protoner og seks nøytroner, i tillegg til seks elektroner som befinner seg utenfor kjernen. Tilsammen 12 partikler i kjernen. Dette er den vanligste formen, eller isotopen, av karbon. En annen isotop av karbon er karbon-13, hvor tallet 13 refererer til at atomet har 13 kjernepartikler, seks protoner og syv nøytroner. Dette er de to stabile karbon-isotopene og til sammen utgjør de mer enn 99.99 % av alt karbon. I tillegg finnes det også en radioaktiv isotop av karbon kalt karbon-14. At noe er radioaktivt betyr at atomkjernen er ustabil. For at kjernen skal stabiliseres, må den kvitte seg med noe av energien. Dette gjøres ved å sende ut radioaktiv stråling.

Karbon-14 er en β- -emitter. Betastråling (β-stråling) er et elektron sendt ut fra kjernen med høy kinetisk energi(bevegelsesenergi). Men hvordan kan et elektron bli sendt ut i fra kjernen, når alle elektronene befinner seg utenfor kjernen? Det som skjer et at et nøytron blir omdannet til et proton og et elektron. Elektronet sendes ut med høy kinetisk energi, rundt 158 keV (1 eV = 1,6*10-19 J) for de mest energifulle β- -emitterende, men her er det variasjon. Etter en β-utsending ender kjernen opp med et nytt protontall. Kjernen vil nå ha ett proton mer enn det den startet med, siden et nøytron omdannes til et elektron, et proton og et nøytrino. Karbon-14 kjernen har blitt til nitrogen-14, vanlig stabilt nitrogen.

Hvor kommer dette radioaktive karbonet fra? Det er faktisk helt naturlig. Høyt oppe i stratosfæren blir karbon-14 produsert av nitrogen ved hjelp av kosmisk stråling fra verdensrommet på følgende måte: 

hvor n er nøytroner, p er protoner og v er nøytrinoer. Det radioaktive karbonet binder seg så til oksygenet i atmosfæren og danner radioaktivt karbondioksid (CO2). Karbondioksidet blir deretter tatt opp av planter og omdannet til sukker i en prosess kalt fotosyntese. Derfra sprer karbonet seg oppover i næringskjeden, og tilslutt til oss.

Halveringstiden til karbon-14 er 5730 år. Det betyr at det tar 5730 år for halvparten av atomkjernene å dekomponere og sende ut stråling. Ved en halveringstid, 5730 år, er ½ av atomkjernene fortsatt radioaktive. Etter to halveringstider, 11460 år, er det ¼ av den opprinnelige radioaktiviteten igjen. Etter tre halveringstider, 17190 år, er 1/8 av radioaktiviteten igjen osv. Teoretisk sett kan dette holde på for alltid, men det er viktig å huske at det tilslutt bare vil være én radioaktiv kjerne igjen som kan dekomponere, så i praksis vil tilslutt all radioaktiviteten opphøre. Det er praktisk mulig å datere organisk materiale så langt tilbake som 50 000-80 000 år med karbon-14-datering, avhengig av utstyret tilgjengelig. Materiale eldre enn dette må dateres med andre metoder, da mengdene med karbon-14 er rundt 1/1000 (en tusendedel) av opprinnelig mengde. Halveringstid (figur 1) følger følgende matematisk lov:

der N er gjenværende konsentrasjon, N0 er utgangskonsentrasjon, t er halveringstidens lengde målt i sekunder og λ (lambda) er en konstant basert på nuklidens halveringstid. Diagrammet til venstre viser hvordan radioaktiviteten minker med tiden.

Alt som lever har store mengder karbon i seg. Karbon-14 mikses jevnt med karbon-12 og 13, de stabile isotopene. Levende vesener skiller ikke mellom de forskjellige karbon-isotopene, siden de har like kjemiske egenskaper. Derfor vil alt som lever også ha en viss mengde karbon-14 i seg. Nivået ligger på rundt ett karbon-14-atom for hver 1012 karbon-12-atomer, eller 227 Bq per kilo karbon. Dette tilsvarer i snitt 3600 Bq karbon-14 hos mennesker. Det vil si 3600 dekomponeringer per sekund. Denne radioaktiviteten får vi i oss via karbonet i blant annet maten vi spiser. Det oppstår en likevekt mellom dannelsen og nedbrytningen av karbon-14 som medfører en fast mengde av nukliden i levende organismer. Denne mengden kan måles. Når levende vesener dør, vil inntaket av nytt karbon-14 opphøre, mens nedbrytningen vil fortsette så lenge det er noe karbon-14 tilstede. Ettersom vi kjenner halveringstiden til karbon-14, kan vi ved å måle radioaktiviteten til organisk materiale, for eksempel et dødt dyr eller et stykke treverk, regne oss til hvor lenge siden dette levende vesenet døde.

En av utfordringene med bruk av metoden på nyere materiale er økte mengder med karbon-14 i atmosfæren de siste 70 årene. Atombombe-prøvesprengninger utført av USA og Sovjetunionen i perioden 1950-1963 (atmosfærisk atombombe-testing ble forbudt i 1963) slapp store mengder med nøytroner ut i atmosfæren som doblet karbon-14 nivået i atmosfæren. Det antas at det er snakk om mange tonn med karbon-14 som ble lagd i disse eksplosjonene. Toppnivået ble nådd i 1965 og har minket siden. Dette har bidratt til usikkerhet i målingene ettersom dette blir til et ekstra ledd (med stor usikkerhet) i utregningene av karbon-14 nivået i levende organismer og ingen vet nøyaktig hvor mye det er snakk om.

Det finnes mange eksempler på at karbondatering blir brukt til aldersbestemmelse av arkeologiske funn. Likkledet i Torino (bilde 1) er et stykke tøy som tilsynelatende har bilde av en mann på seg. Mange troende katolikker mener dette er en avbildning av Jesus fra Nazareth og ser på dette som et hellig relikvie. I 1988 ble det utført karbon-14-datering av linet i tøyet og det ble med 95 % sikkerhet datert til perioden mellom år 1260 og år 1390 av tre uavhengige forskningsinstitutter. Alderen på likkledet ble fastsatt til 646±31 år av universitetet i Tucson (Arizona, USA), 750±30 år av universitetet i Oxford (England) og 676±24 år av universitet i Zürich (Sveits). Med disse målingene til hjelp er det endelig mulig å trekke en konklusjon om likkledet er ekte eller ikke.

19. september 1991 ble et lik funnet i isen høyt oppe i fjellene i Ötztal-alpene i Syd-Tirol, i de italienske alpene, rett ved grensen til Østerrike. «Ismannen Ötzi» (bilde 2), som han senere ble døpt, ble datert med karbon-14-metoden. Ötzi døde med stor sikkerhet mellom år 3350-3110 f. Kr, noe som innebærer at han er ca. 5200 år gammel.

I begge disse tilfellene ble karbon-14-datering brukt til å bestemme alderen til organisk materiale. Dette er en sikker og presis metode for å aldersfeste organisk materiale, selv om ujevn bakgrunnsstråling og økte karbon-14 nivåer i atmosfæren vanskeliggjør bruken av metoden. Det viser også at radioaktivitet har sine bruksområder, og er et spennende og nyttig fenomen som det er verdt å utforske.

 

 

 

Referanser

Figur 1: http://tidsskriftet.no/article/1192071

Tidsskrift for Den norske legeforening (2005; 125: 1181-1182)

Bilde 1: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Shroud_positive_negative_compare.jpg

            Bildet er hentet fra Wikipedia

Bilde 2: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/1/1d/OetzitheIceman02.jpg

            Bilde hentet fra Wikipedia, © South Tyrol Museum of Archaeology

Av Jan Thomas Riddervold
Publisert 26. nov. 2015 22:54 - Sist endret 26. jan. 2017 11:59