Carbon 14 randevú

A radiokarbon 14 , más néven radiokarbon vagy társkereső számolva a 14C maradék , egy olyan módszer, társkereső radiometrikus alapuló mérése radiológiai tevékenység a szén 14 ( 14 C) szereplő szerves anyag , amit szeretnénk tudni, hogy a teljes kor , vagyis az az alkotó organizmus (állat vagy növény) halála óta eltelt idő.

Ennek a módszernek a felhasználási területe néhány száz és legfeljebb 50 000 év közötti abszolút életkornak felel meg. E módszer alkalmazása az ősi eseményekre, különösen akkor, ha életkoruk meghaladja a 6000 évet ( őskori ), lehetővé tette, hogy a korábbiakhoz képest sokkal pontosabban datálják őket. Ez jelentős előrelépést hozott a régészet és a paleontológia terén .

Történelmi

A 1950 , Willard Frank Libby végzett az első szén-dioxid 14 társkereső. A név a BP ( Mielőtt Present ) , majd átvette a teljes jelentését: ez volt a történelem 1950 előtt.

Az 1960 -ben megkapta a Nobel-díjat a fejlesztés ez a módszer (lásd cikkünket a kutató a történelem e felfedezés).

Elv

A 14-es szén vagy a radio- szén egy olyan radioaktív szén- izotóp , amelynek felezési ideje (vagy felezési ideje) az 1961-ből származó részecskefizika számításai alapján 5734 ± 40 évnek felel meg. Azonban a dátumozásra az egyeztetés szerint az értékelt érték felhasználása folytatódik 1951-ben 5568 ± 30 év.

Első megközelítésként figyelembe vehetjük, hogy amíg egy növény vagy állat életben van, szervezete szénnel cserélődik a környezetével, így az abban lévő szén 14 C-os ( 14-es szén ) arányban lesz, mint a bioszférában . Amikor a szervezet meghal, már nem kap 14 C-ot, és a benne lévő fokozatosan szétesik. Mint egy második megközelítés, úgy vélik, hogy mivel a izotópok frakcionálása során fellépő fotoszintézis , a 14 C / 12 C izotóp arány a szervezet alacsonyabb néhány százalékkal, mint a bioszférában. Élettartama alatt a szervezetben jelen lévő 14 C aránya a teljes szénhez viszonyítva ( 12 C, 13 C és 14 C) ezért könnyen összekapcsolható az akkori légkörben meglévőével.

A szén-14 társkereső alapját tehát az a jelenlétét minden olyan szervezetben a radiokarbon apró arányban (a nagyságrendileg 10 -12 a teljes 14 C / C arány ). Attól a pillanattól kezdve, hogy egy szervezet elpusztul, a benne lévő radiokarbon mennyisége, valamint radiológiai aktivitása az exponenciális törvény szerint az idő múlásával csökken . Egy mintát szerves anyagból származó, hogy organizmus lehet kelt mérésével az arány 14 C / C összesen egy tömegspektrométer , annak aktivitása X  évvel halála után a szervezet.

A természetes radiokarbon eredete

A természetes radiokarbon három tározóban kering: a légkörben , az óceánokban és a bioszférában .

A felezési az 5730 évben, a radiokarbon volna már rég eltűnt a bioszféra , ha azt nem folyamatosan gyártják.

A felső légkörben a kozmikus sugárzás ( spalláció ) által elindított magreakciók szabad neutronok áramlását eredményezik . Miután a levegőben lévő molekulákkal való ütközés miatt lelassult, a mozgási energia egy bizonyos tartományában lévő neutronok reagálnak a nitrogénnel , hogy radioszenet képezzenek a mérlegegyenlet szerint:

01nem+714NEM→6.14VS+11H{\ displaystyle _ {0} ^ {1} \ mathrm {n} + _ {7} ^ {14} \! \ mathrm {N} \ rightarrow _ {6} ^ {14} \! \ mathrm {C} + _ {1} ^ {1} \! \ Mathrm {H}}

Ennek a reakciónak azért kedvez, mert a nitrogén a Föld légkörének 78,11% -át teszi ki. A radiokarbon termelés főként 15 és 18 000 méter között  zajlik magas geomágneses szélességeken.

A keletkező radiokarbon atom gyorsan reagál az oxigénnel széndioxidot képezve .

Ez a gáz az atmoszférában kering, és feloldódik az óceánokban, így karbonátok képződnek . A radiokarbon tehát az óceánokban is kering.

A szén-dioxid a bioszférával is reagál. A növények tehát fotoszintézissel asszimilálják a rádiószenet a légkörből, és állatok megeszik őket. A tengeri élőlények szintén asszimilálják az óceánokban található rádiószenet. A radiokarbon tehát az egész táplálékláncban elterjed a bioszférában .

A jelentés 14 C / C teljes tekinthető egységesnek a légkör, az óceán felszíni és a bioszféra, mert állandó cserék között élő szervezetek és a környezet.

Ezenkívül feltételezzük, hogy a kozmikus sugarak fluxusa hosszú ideig állandó (első közelítés). Ezért, radiokarbon termelés sebessége állandó, ezért az arány 14 C / C teljes a légkörben, az óceán felszínén, és a bioszférában is állandó (a megadott számú szénatomot termékek egyenlő az atomok számát, amely bomlás).

Amikor egy szervezet meghal, a külső környezettel folytatott minden információcsere megszűnik, de az eredetileg jelenlévő radio-szén "csapdában marad", és mennyisége a radioaktív bomlás folyamatának megfelelően exponenciálisan csökken, ami lehetővé teszi annak megismerését, hogy a szervezet mennyi ideig halott.

Szerves anyag mintájának életkorának mérése

A szén-14 radioaktív bomlása egy exponenciális bomlástörvénynek felel meg, amelyet felezési ideje jellemez . Dátum: A szerves anyag mintájának meg kell mérnie a teljes 14 C / C arányt (ami a szétesés után természetes marad a radio-szénhidrogénből), és levezetni annak életkorát. A jelentés 14 C / C a teljes mérjük akár közvetett mérésével specifikus aktivitás (bomlás per egységnyi idő per szén tömegegységére) miatt a természetes radiokarbon, amely arányos az arány 14 C / C a teljes , vagy közvetlenül tömegspektrometriával .

Amikor a Libby az 1940 - es évek végén kifejlesztette , a szén-14 datálás során a minták radioaktivitását meg kellett mérni, ami a jel gyengesége miatt nehéz volt (kevés az elemzett mintában lévő radiokarbon atom, különösen néhány után ezer év, és még kevésbé, amelyek szétesnek) és a háttérzaj (természetes radioaktivitás, kozmikus sugarak  stb. ).

Ma a jelentés 14 C / C teljes tömegspektrometriájának közvetlen mérését részesítik előnyben, mert ez lehetővé teszi sokkal kisebb minták (kevesebb, mint milligramm összehasonlítása néhány gramm szénnel szemben) és sokkal gyorsabb (kevesebb, mint egy óra vagy több nap vagy hét) datálását. . A szén kivont mintát először átalakul grafit , majd a ionokat , amelyeket gyorsított a feszültség által generált tömegspektrométerhez kapcsolt egy részecskegyorsító . A különböző szén-izotópokat a mágnes által létrehozott mágneses mező választja el , amely lehetővé teszi a 14 szén-szén számítását .

A mintákat idősebb, mint 50.000 évvel nem lehet kelt a szén 14 arányként 14 C / C a teljes túl alacsony ahhoz, hogy mérhető a jelenlegi technikák; az eredmények viszonylag pontosak csak 35 000 évnél fiatalabb korosztályok esetében.

A legelterjedtebb dátumozási módszer magában foglalja a minta radiokarbon koncentrációjának (vagyis a teljes 14 C / C aránynak ) meghatározását a mérés pillanatában ; a minta életkorát a következő képlet adja meg: hol van a minta radioaktív szén-koncentrációja annak a szervezetnek a halálakor, amelyből a minta származik ( ) és a radioaktív szénállandó 14 ( ). VSt{\ displaystyle {C} _ {t}}t{\ displaystyle t}t-t0=1λ×ln⁡VS0VSt{\ displaystyle {t} - {{t} _ {0}} = {\ frac {1} {\ lambda}} \ alkalommal \ ln {\ frac {{C} _ {0}} {{C} _ { t}}}}VS0{\ displaystyle {C} _ {0}}t0{\ displaystyle {t} _ {0}}VS0≈10.-12.{\ displaystyle {C} _ {0} \ kb. 10 ^ {- 12}}λ{\ displaystyle \ lambda}λ=ln⁡2t12≈1,210⋅10.-4 nál nélnem-1{\ displaystyle \ lambda = {\ frac {\ ln 2} {t _ {\ frac {1} {2}}}} \ kb 1,210 \ cdot 10 ^ {- 4} \ \ mathrm {an} ^ {- 1 }}

Hagyományos radioaktív felezési idő

A szerves anyag mintájának hagyományos szén-14 korát egy 5568 éves szokásos periódusból számolják, amelyet 1950-ben számítottak egy méréssorozat alapján. Azóta pontosabb méréseket végeztek, amelyek 5730 éves időszakot adtak, de a laboratóriumok továbbra is a "hagyományos" értéket használják az összetévesztés elkerülése érdekében.

Az eredményeket az években „mielőtt  jelen  ” (BP) . A nulla pontot (amelyből megmérik annak a szervezetnek a halála óta eltelt időt, amelyből ez az anyag származik) 1950- ben állapítják meg , feltételezve, hogy az 1950-es radioaktív szén-dioxid szint megegyezik. Azóta a fosszilis tüzelőanyagokból szén-dioxid szabadul fel. (amelyek gyakorlatilag legfeljebb 14 C-ot tartalmaznak) megváltoztatta a légkör izotópos aláírását.

Kalibrációs görbék

Az 1960-as évek elejétől a probléma felmerült bizonyos szisztematikus eltérésekben, amelyeket a szén-14 datálás alapján becsült minták kora, valamint a régészet vagy a dendrokronológia között figyeltek meg .

A kozmikus sugarak fluxusa a szén-14 képződésének kezdetén első közelítésként feltételezhető, hogy állandó, de az űrkutatás kimutatta, hogy a föld felső légkörében befogadott fluxus változik a föld mágneses mezőjének alakulása miatt. és a nap mágneses mezőjéről. Ez megmagyarázza, hogy a természetes radiokarbon termelés üteme miért változott az idők során.

Az ipari és a közlekedés általi tömeges fosszilis szén-dioxid-kibocsátás megváltoztatta a három tározó (légkör, óceánok és bioszféra) teljes szénmennyiségét és izotópos összetételét is . Végül az ötvenes és hatvanas években úgy gondolták, hogy a nukleáris tesztelés okozza a légköri rádiószén mennyiségének majdnem kétszeresét. Ezek a közelmúltbeli jelenségek azonban nincsenek hatással az ősi tárgyak keltezésére, amelyek 14 C / C aránya csak az életkoruktól függ, és a 14 C / C aránytól a biológiai aktivitásuk végének időpontjában.

Összefoglalva, a jelentés 14 C / C összértéke a bioszférában nem állandó az idő múlásával. Ezért a kalibrációs görbéket úgy kell elkészíteni, hogy összehasonlítjuk a 14 szén felhasználásával kapott datálást és más módszerekkel, például a dendrokronológiával végzett datálást .

Ezek a görbék lehetővé teszik a minta „hagyományos 14 éves korának” ismeretében a megfelelő dátum megtalálását naptárunkban („kalibrált életkor”).

Egyéb javítások

A légköri nukleáris tesztelés csaknem megduplázta a C-14 koncentrációját az északi félteke légkörében , mire a részleges atomtiltási szerződés eredményeként a szintek csökkentek . Az 1950-ben épült fal a jövőbeni régészek számára a Kr . U. 7000-es évre tehető.

A korrekció akkor alkalmazható, ha a mért érték (radiokarbon esemény) életkora eltér attól, amit dátumozni kell, például idősebb vagy újabb szénnel történő "szennyezéssel". Bizonyos jelenségeket nem lehet korrigálni (például a régészetben, a rétegtani behatolásokban vagy az anyagok újrafelhasználásában).

• Effekt "tengeri tartály" ( tengeri víztározó effektus )

A légköri szén tengervizekbe történő integrálása bizonyos késleltetést igényel, és a globális óceáni keringés olyan körforgás, amely magában foglalja a mély áramlatokat, amelyek feláramlása a felszíni vizeket "több száz éves" felszínre hozza. Ezek a jelenségek azt sugallják, hogy az óceáni vizek karbonja átlagosan négyszáz évvel idősebb, mint a légköré (globális tározóhatás), erős földrajzi eltérésekkel. Ez a hatás különösen problémás a régészek számára, akik az emberi csontok datálására törekszenek, amelyek étrendjének része tengeri eredetű.

• "Folyó- vagy tótározó " hatás ( Lacustrine vagy River Reservoir effektus )

Minden hidrográfiai medencének megvan a maga széndinamikája, amely a pedogenetikai jelenségekből vagy a kőzetek feloldódásából adódó öreg széndúsítási lehetőségekkel bír.

• Effekt "régi fa" ( Old Wood effekt )

A szénen lévő mérés dátuma a fa kora. Ha a faszén szívéből jön a fa ( geszt ), hogy nyúlik a kor kialakulását a szív, amely lehet sokkal idősebb, mint a halál időpontját a fa. Manapság a régészek kerülik a hosszú életű fákból származó szén megismerését.

• "Old shell" effektus ( Old Shell effekt )

A parti régiókban dolgozó régészek számára ismert hatás, akiknek a régészeti elfoglaltságnál régebbi kagylókba formázott műtárgyakra van szükségük.

• Hatás "kemény víz" ( kemény víz hatás )

A kőzetek (különösen a karbonátos kőzetek) oldódása a környezetet régi szénnel gazdagíthatja. Ez a hatás különösen zárt környezetben (tavak, lagúnák, folyók) érzékelhető.

• Effect „friss víz” ( friss víz hatása )

Az eső vagy a folyók helyben gazdagíthatnak bizonyos, többé-kevésbé zárt tengeri környezetet a közelmúlt szén-dioxidjával, és ellensúlyozhatják a tengeri víztározó hatását.

• "Vulkanizmus" hatás

A vulkánok oldalán a fumarolák kibocsátása helyi szénnel gazdagíthatja a légkört.

• "Suess" vagy "szén-dioxid-kibocsátás" hatás

A belső égésű motorral felszerelt járművek olyan kőolajtermékeket használnak, amelyek csak stabil 12 , 13 és 13 C szén izotópokat tartalmaznak, és mind a 14 C eltűnt a fosszilis tüzelőanyagok temetése hosszú élettartama alatt. Az autópályák és a főbb gépjárműforgalmi tengelyek növényzete negatív jelzést mutat: az e növényzet által metabolizált szén-dioxid főleg a fosszilis tüzelőanyagokból származik, amelyekből a szén 14 néhány százezer év elteltével eltűnt; következésképpen az ott észlelt izotóp egyensúly több ezer éves keltezéshez vezethet a még mindig álló növényeknél.Így a 14 C-tól az autópályák mentén növő cserjéig datálva gyakran tizenkétezer vagy annál több "hagyományos életkor" lesz. Korrekciós táblázatok léteznek tehát, amelyek lehetővé teszik az ipari forradalomhoz kapcsolódó datálást a fosszilis tüzelőanyagokból származó 14 C-os széndioxid-kibocsátású helyek szerint .

• "Bomba utáni" hatás

A légköri magkísérletek jelentősen gazdagították a 14 C-os légkört. E vizsgálatok leállítása óta a 14 C-os légköri csökkenés nagyon rendszeres, ami lehetővé teszi a bor vagy élelmiszeripari szakértelem pontosabb dátumozását.

• Néhány folyamat magában foglalja a szén izotópos frakcionálását , vagyis 14 C dúsulása vagy kimerülése figyelhető meg természetes bőségéből. Tehát a C-4 ciklus által fotoszintézist végző üzem kezdeti aránya 14 C nem lesz olyan, mint a C-3 ciklust követő növényé .

A szén-14 keltezés határai

A Carbon-14 datálás a régészek által széles körben alkalmazott módszer, de használatának vannak bizonyos korlátai:

• a nyersanyagként szolgáló növény vagy állat halálának dátumát mérik, nem pedig a keltezésre kerülő tárgy építésének, használatának vagy módosításának dátumát;
• a dátumozandó elemnek tartalmaznia kell a szenet a légköréval megegyező arányban; ezért csak a szerves anyagokra vonatkozik, semmiképpen sem az ásványi termékekre;
• a módszer az aktualizmus elvén alapszik, és azt feltételezi, hogy a 14 C / C arány az elem eddigi halála óta a mai napig állandó maradt a légkörben; ez nem egészen így van, ezért kiigazításokra van szükség (lásd fent );
• A keltezendő cikk rendszerének bezárása szintén elengedhetetlen; ha halála után új szénatomokat tartalmaz, a 14 C / C arány felborul, és az eredmény nem lesz megbízható;
• a radioaktív szén mennyisége 5730 évente a felére csökken , ennek az elemnek a felezési ideje a hagyományos értéknek felel meg ; ezért csak azok az elemek datálhatók, amelyek legfeljebb 50 000 évnél rövidebbek (azaz körülbelül nyolc periódus), amelyek mérhető mennyiséget mutatnak, meglehetősen jó pontossággal; továbbá a bizonytalanság az anyagok korának függvényében növekszik, és az eredmények hozzávetőlegesen meghaladják a 35 000 évet; idősebb korosztályok számára más módszereket alkalmaznak, például a kálium-argon keltezést vagy a rubídium-stroncium pár keltezését, amely lehetővé teszi a kőzetek dátumozását, vagy a termolumineszcenciát , amely lehetővé teszi a kőzetek vagy üledékek keltezését.

2012-ben a radiokarbon dátumokat 26 000 év ± 450 BP-ig kalibrálták. 2019-ben a Hai Cheng csapatnak sikerült kevesebb mint 100 éves, legfeljebb 40 000 éves BP, majd kevesebb, mint 300 év és 54 000 év BP közötti bizonytalansággal kalibrálni a radiokarbon dátumokat. 2020 augusztusában az IntCal projekt hétéves kutatást zár le három új kalibrációs görbe közzétételével (az északi féltekére, a déli és a tengeri környezetre vonatkozóan), ezzel visszavetve az életkorhatárt 55 000 kalandra. BP, csak egy szórás az egymást követő korszakokhoz képest.

Megjegyzések és hivatkozások

1. Egyes szerzők esetében a kapott eredmények 40 000 év BP-nél nem megbízhatóbbak .
2. 14C exponenciális bomlási görbe
3. Honnan származik a szén 14? , univ-lyonban1.
4. .
5. Étienne Roth ( rendező ), Bernard Poty ( rendező ), Georgette Délibrias et al. ( pref.  Jean Coulomb ), A természeti nukleáris jelenségek alapján történő datálás módszerei , Párizs, Éditions Masson , coll.  "  CEA  ",1985, 631  o. ( ISBN  2-225-80674-8 ) , fej .  15 ("14-es szén").
6. François Savatier, "  Jobb kalibrált szén-14 randevú  " , a pourlascience.fr oldalon ,2019. február 8(elérhető : 2021. április ) .
7. [Reimer és mtsai. 2020] Paula J Reimer, William EN Austin, Edouard Bard, Alex Bayliss, Paul G Blackwell, Christopher Bronk Ramsey, Martin Butzin, Hai Cheng, R Lawrence Edwards, Michael Friedrich et al. „  A IntCal20 északi féltekén radiokarbon kor kalibrációs görbét (0-55 cal KBP)  ”, radiokarbon , vol.  62, n o  4,2020, P.  725-757 ( olvasható online [a cambridge.org oldalon ], elérve 2021. április ).

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

• Szén 14
• Randevú
• Dendrokronológia
• Izotóp hidrológia
• Példák a szén-14 dátumozásra:
  • Sovet-barlang
  • Piltdown Man
  • Torinói lepel

Külső linkek

• Carbon-14 társkereső központ , CNRS , Univ-Lyon1 (teljes információ a módszerről)
• Nemzeti Radiocarbon Data Bank Európának és a Közel-Keletnek
• Radiometrikus randevú
• (en) Online radiokarbon kalibrálás
• A radiokarbon-datálást végző laboratóriumok kódjainak listája
• Meghatározás: Carbon-14 keltezés
• A 14 szénatom radioaktivitása
• Meghatározás: Antrakológia