Datering med Fisjonsprodukter

Skrevet av Andreas Connor 

Cesium-137 er en av de radioaktiv isotope til cesium og et biprodukt fra atomvåpen, atomkraftverk og ulykker knyttet til slike installasjoner. Der fisjonen av tunge radioaktive isotoper slik som thorium, uran og plutonium produserer ca. 6 % Cesium-137 [1] totalt for seg under sine reaksjoner. Alt dette cesium-137 som produseres fra slike prosesser gir opphav til potensielle helseproblemer for mennesker dersom man blir utsatt for store doser radioaktiv stråling. Ulykker som skjedde hos Chernobyl og Fukushima økte mengden cesium-137 som fantes i atmosfæren betraktelig, men skapte flere radioaktive tracers og et tydelig skille som nå kan brukes til datering.

Figur 1: Cs-137 forfall

Henfall – Nedbrytning av atomkjernen ved utstråling av energi i form av stråling.

Halveringstid – Tiden det tar før halvparten av original nuklidene er omgjort via henfall  

 

Radioaktive atomkjerner er ustabile, og sender ut ioniserende stråling til å stabilisere seg. Alpha- og beta-stråling er de to mest vanlige typene for henfall, der nukliden vil fortsette med å begå henfall helt til den treffer en stabil atomkjerne. For flere tunge radioaktive kjerner er denne stabile isotopen bly, men vil variere ut ifra hvilket atom som startes med [2]. Cesium-137 stabiliserer sin ustabile atomkjerne ved å begå beta-henfall, der 5.4 % ender opp som stabilt barium-137 og 94.6 % ender opp i den ustabile metafasen, barium-137m 2.

Barium-137m er i likhet med cesium-137 også ustabilt, men har en mye kortere halveringstid på 153 sekunder [3]. I disse metafasene vil atomkjernen være i en eksitert tilstand med mye mere energi. Denne overflødige energien vil atomet fjerne med gammastråling, eller via en prosess kalt ''internal conversion'' som vi ikke skal gå dypere inn på her 2. Målinger av barium-137m har vist at ved 85.1 % av tilfellene blir den overflødige energien fjernet via gammastråling, og de resterende 9.6 % som ''internal conversion'' [4]. Gammastrålingen som sendes ut vil ha en fotonenergi på 662 keV, og selv om strålingen kommer fra metafasen til barium-137 omtales strålingen som Cs-137-, som om den opprinner fra selve cesium-137 kjernen 2.

 

Ettersom cesium-137 ikke forekommer naturlig i naturen, og har en kort halveringstid i forhold til andre radioaktive isotoper vil mengden cesium-137 som fantes før atombombetestene startet være utrolige lave. Dette kan for eksempel ses ut ifra målinger av cesium-137 aktiviteten i menneskekroppen, som har blitt gjort av Mol laboratoriet i Belgia, der en ser en kraftig økning rundt 1960 ved atomvåpentestene. Heldigvis blir ikke cesium-137 værende i kroppen lenge, og av 160 cesium-137 kjerner som man tar inn i kroppen vil bare en av dem begå henfall til å sende ut stråling [5]. Derimot i lukkede omgivelser der cesium nukliden ikke klarer å forsvinne, men bare begår henfall har man noe tilsvarende en klokke, der målinger av antall nuklider som har blitt omdannet vil gi en alder på prøven.

 

Figur 2: Mengde Cs-137 i menneskekroppen

Cesium er et alkalimetall, og vil dermed reagere og absorberes lett av materiale som for eksempel jord og vann, og forblir hindret videre av kjemiske og biologiske prosesser til å 'bevege' seg videre 6. Dermed låses cesium-137 inni disse materialene, og den karakteristiske energien som kjernen sender ut når den stabilisere seg kunne måles. Ved målinger av jordprøver måles gammastrålingen via et følsomt instrument, og ved å sammenligne disse målte dataene med kjente verdier fra atomtestene og Chernobyl ulykken vil du kunne bestemme hvor gammel prøven din er [6].

 

Et artig eksempel på dette er autentifikasjonen av viner og malerier som ble laget før 1960 årene. Siden cesium-137 lett absorberes av bakken vil slike produkter mest sannsynlig ikke inneholde cesiums-137, og med det også ikke stråle den karakteristiske gammastrålingen. Denne målingen er lettere med viner siden disse er forseglet gjenstander der cesiumet ikke har noe sted til å ta veien [7]. Likevel er ikke denne typen datering feilfri, og man må ofte bruke slike metoder i tandem med målinger fra andre kilder til å fast beste alderen.

 

Bruk av radioaktivitet til datering er utrolig viktig ettersom det kan estimere alderen til steiner og mineraler flere hundretusen år gamle som forteller mye om historien til jorden. Dette gjør man ved å bruke tunge radioaktive atomkjerner med lange halveringstider, som uran-238, thorium-232 osv [8]. Derimot har tilførelsen av cesium-137, takket være atomalderen skapt en ny dateringsmetode med mye mindre halveringstid enn de foreliggende. Dette er en fordel ved at man kan med større nøyaktighet se på endringer av for eksempel jord erosjon på mye tettere tidsintervaller 6. Derimot vil den korte levetiden til cesium-137 skape en begrensning på denne typen av datering. Der det tilslutt ikke finnes nok radioaktivt materiale til å gi presise måler, og autentifikasjonen av viner blir nok en gang desto vanskeligere.

Kilder:

  1. A. L. Nichols, D. L. Aldama, M. Verpelli. (2008) Handbook of Nuclear Data for Safeguards. International Atomic Energy Agency. Hentet fra INDC(NDS)-0534

 

  1. G. Choppin, J. Liljenzin, J. Rydberg, C. Ekberg. (2013). Radiochemistry and Nuclear Chemistry. Oxford: Academic Press

 

  1. Wikipedia. (2017, 9. april). Caesium-137. Hentet fra https://en.wikipedia.org/wiki/Caesium-137

 

  1. Radioactivity.eu.com. Internal Conversion. Hentet fra http://www.radioactivity.eu.com/site/pages/Internal_Conversion.htm

 

  1. Radioactivity.eu.com. Ceasium 137. Hentet fra http://www.radioactivity.eu.com/site/pages/Caesium_137.htm

 

  1. Npr.org. (2014, 3. juni). How Atomic Particles Helped Solve A Wine Fraud Mystery. Hentet fra  http://www.npr.org/sections/thesalt/2014/06/03/318241738/how-atomic-particles-became-the-smoking-gun-in-wine-fraud-mystery

 

  1. J. C. Ritchie, J. R. McHenry. (1989) Application of Radioactive Fallout Cesium-137 for Measuring Soil Erosion and Sediment Accumulation Rates and Patterns. Hentet fra https://dl.sciencesocieties.org/publications/jeq/abstracts/19/2/JEQ0190020215

 

  1. J. Lehto. (2016). Basics of Nuclear Physics and of Radiation Detection Measurement. Hentet fra https://nucwik.wikispaces.com/Nuclear+Methods+in+Materials+Dating

 

 

 

 

[1] Nichols, Aldama, Verpelli (2008)

[2] Chopppin, Liljenzin, Rydberg, Ekberg (2013)

[3] Wikipedia (2017, 9. april)

[4] Radioactivity.eu.com Internal Conversion

[5] Radioactivity.eu.com. Ceasium 137

[6] Ritchie, McHenry (1989)

[7] Npr.org (2014, 3.juni)

[8] J. Lehto (2016)

Publisert 27. apr. 2017 12:12