Här på jorden finns kol i atmosfären, jorden, haven och i alla levande varelser. Kol 12 – aka. C-12, så kallad för att den har en atomvikt på 12 – är den vanligaste isotopen, men det är inte alls den enda. Kol 14 är en annan, en isotop av kol som produceras när kväve (N-14) bombarderas av kosmisk strålning.
Denna process gör att en proton förskjuts av en neutron, vilket effektivt förvandlar kväveatomer till en isotop av kol - känd som 'radiokol'. Det är naturligt radioaktivt och instabilt och kommer därför spontant att sönderfalla tillbaka till N-14 under en tidsperiod. Denna egenskap gör den särskilt användbar i en process som kallas 'radiokoldatering', eller koldatering för kort.
Ursprung för radiokol:
Radiokol kommer in i biosfären genom naturliga processer som att äta och andas. Växter och djur absorberar både C-12 och C-14 under sin naturliga livstid helt enkelt genom att utföra dessa grundläggande funktioner. När de dör slutar de att konsumera dem, och isotopen av C-14 börjar återgå till sitt kvävetillstånd i en exponentiell hastighet på grund av dess radioaktiva sönderfall.
Genom att jämföra återstående C-14 av ett prov med det som förväntas från atmosfäriskt C-14 kan provets ålder uppskattas. Dessutom vet forskarna att halveringstiden för radiokol är 5 730 år. Det betyder att det tar ett prov av radiokolväten 5 730 år innan hälften av det sönderfaller tillbaka till kväve.
Efter cirka 10 halveringstider blir mängden radiokol som finns kvar för liten för att mätas och därför är denna teknik inte särskilt tillförlitlig för att datera exemplar som dog för mer än 60 000 år sedan – dvs under den sena mellanpaleolitikum (aka. äldre stenålder) period.
Utvecklingshistoria:
Experiment som så småningom skulle leda till koldatering började på 1939-talet, tack vare ansträngningarna från Strålningslaboratoriet vid University of California, Berkeley. Vid den tiden försökte forskare avgöra om något av de element som är gemensamma för organiskt material hade isotoper med tillräckligt långa halveringstider för att vara av värde i biomedicinsk forskning.
År 1940 bestämdes halveringstiden för kol 14, liksom mekanismen genom vilken det skapades (långsamma neutroner som interagerar med kväve i atmosfären). Detta motsäger tidigare arbete, som ansåg att det var produkten av deuterium (H², eller tungt väte) och kol 13.
En väteatom består av en proton och en elektron, men dess tunga form, som kallas deuterium, innehåller också en neutron. Kredit: NASA/GFSC
Under andra världskriget läste Willard Libby – en kemist och utexaminerad från Berkeley – en artikel av W. E. Danforth och S. A. Korff (publicerad 1939) som förutspådde att C 14 skulle skapas i atmosfären på grund av interaktioner mellan kväve och kosmiska strålar. Av detta kom Libby på idén att mäta sönderfallet av C 14 som en metod för att datera organiskt material.
1945 flyttade Libby till University of Chicago, där han började arbetet som skulle leda till utvecklingen av radiokoldatering. 1946 publicerade han en artikel där han spekulerade i att C 14 kan existera i organiskt material tillsammans med andra kolisotoper.
Efter att ha genomfört experiment, som mätte C-14 i metan från avloppsprover, kunde Libby och hans kollegor visa att organiskt material innehöll radioaktivt C-14. Detta följdes av experiment som involverade träprover för gravarna av två egyptiska kungar, för vilka åldern var känd.
Deras resultat visade sig vara korrekta, med hänsyn till en liten felmarginal, och var det publicerades 1949 i journalenVetenskap. 1960 fick Libby Nobelpriset i kemi för detta arbete. Sedan den tiden har koldatering använts inom flera vetenskapsområden och gjort det möjligt för viktiga övergångar i förhistorien att dateras.
Diagram som visar hur radiokoldatering fungerar. Kredit: howstuffworks.com
Gränser för koldating:
Koldatering är fortfarande begränsad av ett antal anledningar. För det första är det antagandet att förhållandet mellan C-12 och C-14 i atmosfären har förblivit konstant, medan förhållandet i själva verket kan påverkas av ett antal faktorer. Till exempel produktionen av C-14 i atmosfären, som i sin tur påverkas av mängden kosmiska strålar som tränger igenom jordens atmosfär.
Detta påverkas i sig av saker som jordens magnetfält, som avleder kosmiska strålar. Dessutom har exakta mätningar som tagits under de senaste 140 åren visat en stadig minskning av styrkan hos jordens magnetfält. Detta betyder att det har skett en stadig ökning av radiokolproduktionen (vilket skulle öka förhållandet).
En annan begränsning är att denna teknik endast kan tillämpas på organiskt material som ben, kött eller trä, och kan inte användas för att datera stenar direkt. Utöver det kommer tillsatsen av kol 12 att kasta bort ransonen, vilket leder till felaktiga bedömningar av ett provs ålder.
Det är här antropogena faktorer spelar in. Eftersom fossila bränslen inte har något kol 14-innehåll har förbränningen av bensin, olja och andra kolväten – och i allt större mängder under det senaste och ett halvt århundradet – spätt ut C-14-innehållet i atmosfären.
Å andra sidan kommer atmosfäriska tester av kärnvapen under 1950- och 1960-talen sannolikt att ha ökat kol 14-innehållet i atmosfären. Faktum är att forskning har utförts som tyder på att kärnvapenprov kan ha fördubblat koncentrationen av C-14 under denna tid, jämfört med naturlig produktion av kosmiska strålar.
Ändå är det fortfarande det mest exakta sättet att datera som forskarsamhället har upptäckt hittills. Tills en annan metod blir tillgänglig – och en som ger mindre felmarginaler – kommer den att förbli den metod som valts för arkeologi, paleontologi och andra grenar av vetenskaplig forskning.
Vi har skrivit många artiklar om Carbon Dating för Universe Today. Här är Hur vet vi hur gammalt allt är? , Hur gammalt är universum? , Hur gammalt är solsystemet? , Hur länge har människor varit på jorden?
Om du vill ha mer information om Carbon Dating, kolla in NASA:s virtuella dejting: Isochron and Radiocarbon – Geology Labs on-line , och här är en länk till USGS Radiometrisk Dejtingsida .
Vi har också spelat in ett helt avsnitt av Astronomy Cast som handlar om hur koldating fungerar. Här är Avsnitt 122: How Old is the Universe? och Avsnitt 164: Inside the Atom .
Källor: