Możliwość precyzyjnego datowania, czyli określenia wieku przedmiotu, może nas nauczyć, kiedy uformowała się Ziemia, pomóc ujawnić przeszłe klimaty i powiedzieć, jak żyli pierwsi ludzie. Więc jak naukowcy to robią?
Datowanie radiowęglowe jest najbardziej powszechną metodą, według ekspertów. Metoda ta polega na pomiarze ilości węgla-14, radioaktywnego izotopu węgla – lub wersji atomu z inną liczbą neutronów. Węgiel-14 jest wszechobecny w środowisku. Po tym, jak tworzy się wysoko w atmosferze, rośliny wdychają go, a zwierzęta wydychają – powiedział Thomas Higham, archeolog i specjalista od datowania radiowęglowego na Uniwersytecie Oksfordzkim w Anglii.
„Wszystko, co żyje, pobiera go”, powiedział Higham w wywiadzie dla Live Science.
Powiązane: Co jest najstarszą żyjącą obecnie istotą?
Podczas gdy najbardziej powszechna forma węgla ma sześć neutronów, węgiel-14 ma dwa dodatkowe. To czyni ten izotop cięższym i znacznie mniej stabilnym niż najczęstsza forma węgla. Tak więc po tysiącach lat węgiel-14 w końcu się rozpada. Jeden z jego neutronów rozpada się na proton i elektron. Podczas gdy elektron ucieka, proton pozostaje częścią atomu. Z jednym neutronem mniej i jednym protonem więcej, izotop rozpada się na azot.
Kiedy żywe istoty umierają, przestają przyjmować węgiel-14, a ilość, która pozostała w ich ciele, rozpoczyna powolny proces rozpadu radioaktywnego. Naukowcy wiedzą, jak długo trwa rozpad połowy danej ilości węgla-14 – jest to czas zwany okresem połowicznego zaniku. To pozwala im zmierzyć wiek organicznego kawałka materii – czy to skóry zwierzęcej, czy szkieletu, popiołu lub słoja drzewa – poprzez zmierzenie stosunku węgla-14 do węgla-12, który w nim pozostał i porównanie tej ilości z okresem połowicznego rozpadu węgla-14.
Półokres życia węgla-14 wynosi 5,730 lat, co czyni go idealnym dla naukowców, którzy chcą badać ostatnie 50,000 lat historii. „Obejmuje to w zasadzie naprawdę interesującą część historii ludzkości” – powiedział Higham – „początki rolnictwa, rozwój cywilizacji: Wszystkie te rzeczy wydarzyły się w okresie radiowęglowym”.
Jednakże obiekty starsze od tego straciły ponad 99% swojego węgla-14, pozostawiając zbyt mało do wykrycia, powiedział Brendan Culleton, asystent profesora badawczego w Laboratorium Radiowęglowym na Pennsylvania State University. W przypadku starszych obiektów, naukowcy nie używają węgla-14 jako miary wieku. Zamiast tego często zwracają uwagę na radioaktywne izotopy innych pierwiastków obecnych w środowisku.
Dla najstarszych obiektów na świecie najbardziej użyteczną metodą jest datowanie uranowo-torowo-ołowiowe. „Używamy jej do datowania Ziemi” – powiedział Higham. Podczas gdy datowanie radiowęglowe jest użyteczne tylko w przypadku materiałów, które kiedyś były żywe, naukowcy mogą używać datowania uranowo-torowo-ołowiowego do pomiaru wieku obiektów takich jak skały. W tej metodzie naukowcy mierzą ilość różnych izotopów promieniotwórczych, z których wszystkie rozpadają się na stabilne formy ołowiu. Te oddzielne łańcuchy rozpadu zaczynają się od rozpadu uranu-238, uranu-235 i toru-232.
„Uran i tor są tak dużymi izotopami, że pękają w szwach. Zawsze są niestabilne” – powiedziała Tammy Rittenour, geolog z Uniwersytetu Stanowego w Utah. Każdy z tych „izotopów macierzystych” rozpada się w innej kaskadzie radioizotopów, zanim skończy jako ołów. Każdy z tych izotopów ma inny okres półtrwania, od kilku dni do miliardów lat, według Agencji Ochrony Środowiska. Podobnie jak w przypadku datowania radiowęglowego, naukowcy obliczają proporcje pomiędzy tymi izotopami, porównując je z ich odpowiednimi okresami półtrwania. Używając tej metody, naukowcy byli w stanie datować najstarszą skałę, jaką kiedykolwiek odkryto, 4,4 miliardowy kryształ cyrkonu znaleziony w Australii.
Wreszcie, inna metoda datowania mówi naukowcom nie jak stary jest obiekt, ale kiedy był on ostatnio wystawiony na działanie ciepła lub światła słonecznego. Metoda ta, zwana datowaniem luminescencyjnym, jest preferowana przez geologów badających zmiany w krajobrazie w ciągu ostatnich milionów lat – mogą oni wykorzystać ją do odkrycia, kiedy lodowiec uformował się lub wycofał, osadzając skały w dolinie; lub kiedy powódź wyrzuciła osady nad dorzeczem rzeki, Rittenour powiedział Live Science
Gdy minerały w tych skałach i osadach są zakopane, stają się one narażone na promieniowanie emitowane przez osady wokół nich. Promieniowanie to wyrzuca elektrony z ich atomów. Niektóre z elektronów spadają z powrotem do atomów, ale inne utknęły w dziurach lub innych defektach w gęstej sieci atomów wokół nich. Potrzeba drugiej ekspozycji na ciepło lub światło słoneczne, aby wybić te elektrony z powrotem na ich pierwotne pozycje. To jest dokładnie to, co robią naukowcy. Wystawiają oni próbkę na działanie światła, a gdy elektrony wpadają z powrotem do atomów, emitują one ciepło i światło, czyli sygnał luminescencyjny.
„Im dłużej obiekt jest zakopany, tym więcej promieniowania został wystawiony na działanie” – powiedział Rittenour. W istocie, długo zakopane obiekty narażone na duże promieniowanie będą miały ogromną ilość elektronów wybijanych z miejsca, które razem będą emitować jasne światło, gdy powrócą do swoich atomów, powiedziała. Dlatego ilość świecącego sygnału mówi naukowcom, jak długo obiekt był zakopany.
Datowanie obiektów jest nie tylko ważne dla zrozumienia wieku świata i tego, jak żyli starożytni ludzie. Naukowcy sądowi używają go do rozwiązywania spraw kryminalnych, od morderstw po fałszerstwa sztuki. Datowanie radiowęglowe może nam powiedzieć, jak długo szlachetne wino lub whisky było starzone, a tym samym, czy zostało sfałszowane, powiedział Higham. „Istnieje cała gama różnych zastosowań.”
Oryginalnie opublikowane na Live Science.
Ostatnie wiadomości