Kulstof-14 metoden

Den korte forklaring

Kulstof er en naturlig bestanddel af alt levende. Kulstof findes i atmosfæren i blandt andet CO2   som via fotosyntesen optages i planter og bruges i opbygningen af plantens celler. Planterne spises af dyr som således optager kulstoffet og bruger dette til opbygningen af deres celler.

Kulstof i atmosfæren forekommer i en stabil form (C-12) og en ustabil form (C-14). Forholdet mellem den stabile og den ustabile kulstofform i atmosfæren antages at være konstant og så længe en organisme er levende, vil forholdet mellem disse to kulstofformer (isotoper) være ens i både atmosfære og liv.

Så snart organismen dør, sker der ikke længere et kulstofoptag og den ustabile kulstofform (C-14) vil henfalde og blive til luftarten kvælstof, som forsvinder ud af organismen. Forholdet mellem C-12 og C-14 i den døde organisme vil således ændre sig over tid. Da man kender henfaldstiden (halveringstiden) for C-14 vil man kunne udregne tiden der er gået fra organismen døde til nu.

Den oprindelige antagelse at forholdet mellem C-12 og C-14 er stabil over tid har vist sig ikke at passe, hvorfor metoden skal kalibreres.

Den lange forklaring

sKulstof-14 dateringsmetoden adskiller sig på flere områder fra de øvrige radiometriske målemetoder.  Halveringstiden er meget kortere, og her måler man ikke forholdet mellem forældre/datterisotoper, men skal måle henfaldet ved at se på forholdet mellem kulstofisotoperne C-14 og C-12. Særligt interessant er, at man ved denne metode måler alderen på stof af organisk (levende) oprindelse.

Vi vil først gennemgå baggrunden for dateringsmetoden, betragte forholdet mellem kulstofisotoperne og forklare hvordan selve dateringsmetoden anvendes. Vi vil dernæst se på hvilke udfordringer metoden har, og i relation hertil er der efterfølgende et afsnit om kulstofkredsløbet som er med til at give indsigt i de omtalte udfordringer.

Der er i hovedsagen tre forskellige kulstofisotoper af kulstof repræsenteret i de CO2 molekyler, der er i atmosfæren: C-12, C-13 og C-14. Isotopen C-14 var oprindeligt kvælstof  (N-14) med 7 protoner, 7 neutroner og 7 elektroner.

Kvælstof er den altdominerende luftart i vores atmosfære.

  Der er 78% kvælstof i den atmosfære der omgiver jorden i nutiden. Ilt udgør den næstørste bestanddel i atmosfærens sammensætning (med 21 %), mens CO2 i nutiden blot udgør ca. 0,40% af atmosfæren.

 

Kosmisk stråling sætter en kaskade af primært protoner i bevægelse ude i stratosfæren hvilket betyder, at en del af kvælstofatomerne bliver ramt og ændrer karakter som det ses i animationen nedenunder.

 

I det periodiske system ses det at C og N netop ligger i same periode ved siden af hinanden. Dette nye kulstof binder sig straks til atmosfærens ilt og danner CO2 , som blander sig med atmosfærens øvrige CO2– molekyler.
Atmosfærens CO2 vil således indeholde følgende varianter: 12CO2 , 13CO2 og 14CO2.

FAKTABOKS

Fotosyntese – optagelse af atmosfærens CO2
Formlen ser således ud: 6 H2O + 6 CO2 + energi -> C6H12O6 + 6O2 . Formlen viser at 6 vandmolekyler + 6 kuldioxidmolekyler + solenergi bliver til ét kulhydratmolekyle samt 6 iltmolekyler. Frigivelse af CO2.
Ilten frigives til atmosfæren, men planterne indgår i en fødekæde og kulhydraterne bliver optaget i dyrene, som igen bliver spist af andre dyr mm.  Her går processen så den modsatte vej: C6H12O6 + 6O2 -> 6H2O + 6CO2 + energi.Det vil sige; dyr spiser kulhydraterne og indånder ilten og i organismen foregår en forbrænding som frigiver energi, udskiller vand (der kommer ud som sved og urin) og CO2 som udåndes og derved går tilbage til atmosfæren. Denne omsætning går hurtigt og 1,3% af det kulstof, som indgår i det globale aktive kulstofkredsløb er bundet i dette liv.

Igennem fotosyntesen bliver CO2 optaget af planter og indgår herved i biomassen, både den levende og døde.  Hermed er C-14 kommet ind i fødekæden. Planter bliver spist af dyr som således også kommer til at indeholde den radioaktive kulstofisotop C-14, som således findes i alt liv. Dermed indtager alt levende kulstof-14. Alle organismer vil således indeholde kulstof i tre former: C-12, C-13 og C-14, og det er netop forholdene mellem især C-12 og C-14 der er interessante i forbindelse med kulstof-14-dateringen. Så længe en organisme er levende, vil forholdet mellem C-14 og C-12 i denne, svare til forholdet mellem disse to isotoper i den atmosfæriske CO2.

Dette gælder for landlevende organismer. For vandlevende organismer svarer forholdet mellem C-14 og C-12 til  det tilsvarende forholde i det omgivende vand som på  grund af oceanernes kulstofpuljes særlige forhold iikke er lig forholdet i atmosfæren. Men så snart organismen dør, både på land og i vandet, vil der ikke længere være en tilgang af C-14 og der begynder at ske en omdannelse af C-14 til kvælstof (N-14).
Hvis ikke organismen nedbrydes ved en forrådnelsesproces, og på den måde lader sit kulstof indgå i kredsløbet igen med det samme, vil den fossilere, hvilket vil betyde at forholdet mellem C-12 og C-14 i dette fossil langsomt 
ændrer sig, således at C-14-delen bliver mindre og mindre, idet den omdannes til kvælstof (N-14), ved et beta-minus-henfald. Kvælstof, der
er en luftart, forlader fossilet. C-12-delen forbliver altså den samme mens C-14-delen bliver stadig mindre.

Udregning af alder
C-14’s halveringstid er 5730 år, hvilket vil sige at den organisme der har været død i 5730 år vil indeholde halvt så meget C-14 som den gjorde da den døde. Hvis der er gået f.eks. to halveringstider (11.460 år) vil der kun være ¼ af det oprindelige C-14 tilbage i fossilet. Denne opdagelse fik den amerikanske kemiker Willard Libby i 1949 til at udtænke kulstof-14-dateringsmetoden. På hans tid var forholdet mellem 14CO2 til 12CO2  1 : 1.000.000.000.000 (altså 1 C atom til 1 billion eller 1 til 1000 milliarder). Med afsæt I dette forhold som han mente havde været konstant over tid kunne en tidligere organisme aldersbestemmes ved at tælle forholdet mellem C-12- og C-14 molekyler i fossilet. Ved at anvende henfaldsligningen og halveringstiden for C-14 kan en tidligere organisme aldersbestemmes.

Ligningen: t = (ln (N/N0)/ln (1/2)) T 1/2  giver os alderen (t) på genstanden når vi kender N (nuværende antal C-14 atomer)og N0  (oprindelige antal C-14 atomer). N er det netop optalte antal C-14-atomer der er tilbage i en given enhed. Ved også at optælle C-12-atomerne i den givne enhed kan man sammenligne forholdet mellem C-14 og C-12 som det ser ud nu. Ved at antage at forholdet mellem er disse to isotoper er konstant (1:1.ooo milliarder) kan man udregne N0 (antallet af C-14 atomer i organismen da den døde). Man kan logisk ræsonnere sig til opstilling af henfaldsligningen.

 

Metodens udfordringer

Måleusikkerhed
Kontaminering kan skyldes behandlingen af prøverne i indsamlingsøjeblikket eller efter de er indsamlet. Den kan således ske under opgravning, opbevaring, forsendelse og ved forberedelse af prøven til C-14 test. Da forholdet mellem C-14 og C-12 er én til 1000 milliarder, kan man godt forestille sig at selv en meget lille kontaminering (eks luftens støv) med ny eller gammel C-14 vil kunne forrykke alderen væsentligt.

Tidligere metoder med at måle henfaldet er blevet erstattet af en meget mere nøjagtig målemetode, hvor man tæller atomer ved AMS-metoden  (Accelerator mass Spectromettry). Herved kan forholdet mellem C-12 og C-14 bestemmes meget mere nøjagtigt. Gamle målinger, foretaget uden skyldig hensyntagen til nuværende procedurer for indsamling, opbevaring og håndtering i laboratoriet kan rumme betydelig dateringsusikkerhed, men de er måske ikke erstattet af nyere målinger. Hvis disse data stadig bruges kan de udgøre en potentiel fejlkilde.

Inden prøven C-14 analyseres skal man gøre laboratoriet opmærksom på hvilke kontamineringsmuligheder der kunne være, således at laboratoriet har mulighed for at fjerne disse, enten mekanisk eller kemisk. Omvendt, hvis laboratoriet ikke har disse oplysninger kan der være mulighed for at man undlader at rense prøven for en mulig kontaminering. Det skal desuden oplyses til laboratoriet, inden C-14 dateringen, hvilken alder organisme/artefakten formodes at have. Prøven går til under C-14 målingen, så det er ikke muligt at laven en ”ommer” hvis resultatet ikke er tilfredsstillende. I så fald skal der tages en ny prøve.

Usikkerhed som følge af fortolkning af resultatet
Udgangspunktet for Libby (udvikleren af C-14 metoden) var at når en organisme døde ville forholdet mellem C-14 og C-12 være 1 til 1000 milliarder, nøjagtig som forholdet i atmosfæren. Organismen skulle således have en C-14 alder på 0 (t=0) på dødstidspunktet. Men det viste sig ret hurtigt at forholdet mellem C-14 og C-12 i atmosfærens CO2 ikke har været konstant over tid. Det skyldes at dannelsen af C-14 af N-14 ved kosmisk stråling i perioder er foregået langsommere eller hurtigere end Libbys beregninger.

Kosmisk stråling begrænses af kraftig solaktivitet, jordens magnetfelt samt eventuelle andre blokeringer og i perioder hvor disse begrænsninger har været kraftige, er der dannet mindre C-14. Mindre C-14 i atmosfærens CO2 betyder at levende organismers forhold mellem C-14 og C-12 bliver mindre en 1 til 1000 milliarder, hvilket igen betyder at prøven estimeres til at være ældre en den er. Dens C-14 alder er ikke 0 ved dens død. (t er ikke =0). Modsvarende vil en øget mængde C-14 i atmosfærens CO2 betyde at prøven vil blive estimeret som yngre en den er.

Det er kendt at jordens magnetfelt har varieret betydelig gennem tiden og man har konstateret at dette magnetfelt har været faldende i længere tid. Det estimeres at jordens magnetfelt svækkes med ca. 5% for hver 100 år. Det betyder at der, i perioder med stærk magnetfelt, vil dannes mindre C-14 og fossiler fra denne periode vil blive dateret som ældre end de er. Fossiler fra perioder med svagere magnetfelt vil blive dateret yngre end de er.

Denne usikkerhed i forbindelse med fortolkning af måleresultatet har man forsøgt at afhjælpe ved at opstille kalibreringskurver baseret på årringsdateringer (dendrokronologi) og C-14 analyser af disse ringe. En af udfordringerne med dendrokronologien , når den søges at blive udstrakt mange tusinde år tilbage i tiden ved hjælp af fossilt træ, er at disse træstykker som udgangspunkt C-14 dateres for at finde deres placering i rækken af træstumper. Herefter finder man et match i mønsteret af vækstringe og endeligt placeres træstykket i rækkefølgen. Optællingen af vækstringe bliver sammenlignet med C-14 alderen, som så korrigeres til en cal [kalibreret]C-14 alder.

Hvis C-14 niveauet i en periode har været stærkt afvigende vil  måleresultatet være ukorrekt. Det gælder naturligvis også de C-14 daterede træstykker, som derved  kan være blevet placeret forkert på tidslinjen. En yderligere mulighed for fejltolkning af måleresultatet knytter sig til maritime prøver, eller organismer der i overvejende grad har levet af maritimt liv. I afsnittet om kulstofkredsløbet redegøres der for at C-14 til C-12 forholdet i havet ikke afspejler forholdet mellem de samme isotoper i atmosfæren på samme tidspunkt idet der kan være en stor mængde ”gammelt” kulstof til stede i havet. Her forsøges benyttet en anden metode til kalibrering af  C-14 dateringen bla. Uran Thorium metoden.

Tolkning af et C-14 testresultat er således ikke ”lige ud af landevejen” og der findes  situationer hvor arkæologer finder resultatet ”arkæologisk uacceptabelt”. Det vil sige at C-14 resultatet langtfra underbygger arkæologernes bestemmelser. På Beta Analytic testing Laboratory´s hjemmeside som er et C-14 analyselaboratorium anføres om sådanne situationer:

”Det kan være, at der er et underliggende problem med aflejringen, eller en uopdaget forurening eller endog et problem som skyldes laboratoriet. I alle tilfælde er det stadig værd nøje at overveje, hvorfor C-14 dateringens resultater blev anset for uacceptable.”

Usikkerhed som følge af de gjorte antagelser
Metodens forudsætning er at organismen fra sin død til dateringstidspunktet har været i et lukket system, således at der ikke er sket nogen udveksling med omgivelserne af hverken C-12 eller C-14. Dette er sjældent, eller snarere aldrig tilfældet. Organismens/artefaktens omgivelser på findestedet vil altid indebære en mulighed for at der har været sket en kontaminering. Organismen/artefakten kan bl.a. være kontamineret af kalksten, huminsyrer og fulvinsyrer og rodvæks fra nye planter.

Kalksten eller calciumkarbonat består af calcium, kulstof og ilt. Kulstoffet i dette calciumkarbonat er overvejende C-14 dødt og kontaminering med dette stof vil medføre at organismen/artefakten dateres meget ældre end den er. Huminsyrer og fulvinsyrer  er dannet af organisk stof i jorden. Dette kan være meget gammel og derfor C-14 dødt, eller det kan have en alder der er yngre end organismen/artefakten. Hvis der er sket en kontaminering med dette stof vil organismen/artefakten blive C-14 dateret for gammel eller ung, afhængig af alderen på huminsyren eller fulvinsyren.

Organismen/artefakten kan være penetreret af fin rodvækst af yngre vegetation og denne form for kontaminering vil give en for ung alder til organismen/artefakten.

Eksempler på anvendelse

Gravballemanden
Ud fra tanken om konstant forhold mellem C-14 og C-12 regnede man ud at Gravballemanden, som blev fundet i 1952, havde 76% 14C tilbage i forhold til den oprindelige mængde (altså N/N0 = 0,76). Ved at sætte denne værdi ind i ligningen sammen med halveringstiden for C-14 (5730) kom ligningen til at se således ud:

t= ln(0,76)/ln(0,5)*5730 <=>

t=(-0,2744368/-0,69314718) * 5730 <=>

t= 0,3959286*5730 <=>

t= 2268

Gravballemanden døde altså for 2268 år siden eller 251 fvt.

Videoer

Print Friendly, PDF & Email
Insert math as
Block
Inline
Additional settings
Formula color
Text color
#333333
Type math using LaTeX
Preview
\({}\)
Nothing to preview
Insert