CRL‎ > ‎

Princip radiouhlíkového datování

Uhlík 14 (dále 14C) je jedním ze tří v přírodě se vyskytujících izotopů uhlíku tvořících přírodní izotopickou směs uhlíku. Jsou to stabilní izotopy 12C, 13C a nestabilní 14C, který je globálně se vyskytujícím radionuklidem částečně přirozeného původu s poločasem přeměny 5730 let (CRC, 1992). 14C je čistým zářičem beta s maximální energií emitovaných elektronů 156 keV (Majer, 1981).

V přírodě vzniká 14C především ve vyšších atmosférických vrstvách. Částicemi kosmického záření jsou v atmosféře generovány neutrony a protony, které působí jako jaderné střely na terčová jádra atomů dusíku, kyslíku, vzácných plynů (Libby & Anderson, 1947). V případě 14C jde o záchyt neutronů jádry dusíku dle rovnice: 14N (n, p) 14C.

Ve vyšších částech atmosféry produkovaný 14C je oxidován na chemickou formu 14CO2 a přestupuje do troposféry, kde se stává součástí přirozeného koloběhu uhlíku (Ewen, 2004). Z atmosféry je část 14CO2, společně s ostatním CO2, asimilována zelenými rostlinami a fotosyntetickými pochody zabudována do rostlinných tkání. V rostlinách obsažený 14C přechází dále do potravního řetězce.

Tok neutronů generovaných působením kosmického záření je relativně stálý a v přírodě se proto ustavila poměrně stabilní dynamická rovnovážná aktivita 14C. Aktivita 14C v atmosféře a suchozemské biotě je dána jeho dobou prodlení v tomto prostředí (obr. 1). Atmosférický radiouhlík (v chemické formě 14CO2) dále přechází do dalších složek životního prostředí, jako jsou biota, oceánské vody a sedimenty. Doba zdržení 14CO2 v atmosféře je řádu jednotek let a je velmi krátká v porovnání s poločasem přeměny 14C, jak je patrné z  obrázku 7. V troposféře, biotě a povrchových vodách odpovídá přirozená rovnovážná aktivita přibližně 226 mBq 14C na gram uhlíku v uhlíkové isotopické směsi[1] (Gupta & Polach, 1985). 

            Obr. 1 Schéma globálního pohybu 14C (UNSCEAR, 2000)

Globální pohyb C-14
Radiouhlíkové datování vychází z předpokladu známé výchozí aktivity (koncentrace) 14C ve složkách životního prostředí. V průběhu formování vzorku (růst organismů, ukládání sedimentu, srážení karbonátů, rozpouštění CO2 ve vodě) dochází k příjmu uhlíku z okolního prostředí (obr. 2). Od okamžiku přerušení příjmu z okolí (např. smrt organismu) klesá aktivita 14C ve vzorku pouze vlivem radioaktivní přeměny.

            Obr. 2 Schématické znázornění vstupu 14C do životního prostředí a potravního řetězce (zdroj)
Vstup C-14 do životního prostředí
Ze známé výchozí a zbytkové aktivity 14C lze proto stanovit dobu, která uplynula od přerušení výměny uhlíku s okolním prostředím dle vzorce:

(1)
  , kde

kde A je aktuální aktivita 14C; A0 aktivita v okamžiku přerušení příjmu uhlíku; l přeměnová konstanta pro 14C (pro výpočet konvenčního radiouhlíkového stáří se dosud používá tzv. „Libbyho“ poločas přeměny T1/2 - 5568 let); t doba, která uplynula od přerušení příjmu uhlíku (tzv. konvenční radiouhlíkové stáříKonvenční radiouhlíkové stáří je vztaženo k referenčnímu roku 1950 a uvádí se v letech BP – (Before Prezent), tedy v letech před rokem 1950.

Vzhledem k tomu, že v přírodních procesech (příjem atmosférického CO2 rostlinou, srážení karbonátů, difuse CO2, atd.) dochází k mírným změnám zastoupení jednotlivých izotopů uhlíku, což způsobuje malou změnu obsahu 14C v různých typech vzorků, tj. dochází k isotopické frakcionaci. Proto je  třeba pro přesné porovnání obsahu 14C v různých typech vzorků opravit („normalizovat“) naměřenou aktivitu na isotopickou frakcionaci (Majer, 1981) způsobenou chemickými, fyzikálními a biologickými procesy. Tj. pokud dochází ke změně izotopického zastoupení 14C, dojde rovněž ke změně u izotopu 13C. Pro tyto jemné opravy vychází přepočet z isotopického zastoupení 13C  (δ13C) ve vzorku podle vzorce, který uvádí Stuiver-Polachova konvence (Stuiver & Polach, 1977).

Konvenční radiouhlíkové stáří[2] je pouze speciální způsob vyjadřování aktivity 14C ve vzorku, která je vztažena k primárnímu modernímu referenčnímu standardu. Tento standard konvenčně odpovídá aktivitě 14C ve hmotě dřeva narostlého v roce 1890 (tj. bez významného ovlivnění spalováním fosilních paliv) a s korekcí na pokles aktivity radioaktivní přeměnou 14C do roku 1950 (Stuiver & Polach, 1977; Gupta & Polach, 1985).

Radiouhlíkové datování neurčuje datum narození daného organismu, výroby dřevěného předmětu či založení stavby, nýbrž stanoví okamžik přerušení účasti vzorku v uhlíkovém koloběhu. Pro datování je nutné splnění podmínky uzavřenosti datovaného vzorku vůči přirozenému koloběhu tj. vyloučení dodatečné výměny uhlíku a jeho forem s okolním prostředím. Může například docházet ke kontaminaci vzorku značně pohyblivými a později vzniklými huminovými kyselinami (snižujícími zdánlivé stáří vzorku), nebo fosilním CO2 z geologického podloží (zdánlivé stáří je zvyšováno).



[2] Konvenční radiouhlíkové stáří je vztaženo k referenčnímu datu 1950. V anglicky psané literatuře se uvádí jako „radiocarbon age“; „14C age“; „conventional age“; nebo „conventional radiocarbon age“.

[1] Uhlíková isotopická směs obsahuje dva stabilní isotopy 12C a 13C. Zastoupení počtu atomů těžšího stabilního isotopu se v přírodě pohybuje kolem 1,10% (CRC, 1992; De Bievre & Taylor, 1993).

Comments