Metóda 14C ako datovacia metóda

Datovanie pomocou uhlíka 14C: možnosti a obmedzenia

Jednou z často používaných metód na určenie veku nálezov organického pôvodu je datovanie pomocou rozpadu rádioaktívneho izotopu uhlíka 14C. Jej princíp je pomerne jednoduchý. Aký vek je možné touto metódou určiť a aké má táto metóda obmedzenia?

Každý živý organizmus prijíma uhlík prostredníctvom potravy. Rastliny ho získavajú najmä z oxidu uhličitého (CO₂) obsiahnutého vo vzduchu, zatiaľ čo živočíchy prijímajú celý rad zložitých organických zlúčenín – cukrov, bielkovín a tukov. Stabilný izotop uhlíka 12C tvorí 98,89 %, ďalší stabilný izotop 13C tvorí 1,11 % a nestabilný, rádioaktívny uhlík 14C je zastúpený len v množstve približne 0,000 000 000 1 %. V živých bunkách pripadá približne jeden atóm 14C na každých 10¹² atómov 12C, čo znamená, že v 1 grame čerstvého organického uhlíka by sme našli asi 10¹⁰ atómov 14C.

Počas života organizmu sa neustálym príjmom potravy a vylučovaním odpadových látok udržiava rovnovážna koncentrácia 14C. Po smrti organizmu sa však príjem uhlíka 14C zastaví a jeho koncentrácia v odumretej hmote klesá exponenciálne v dôsledku rádioaktívneho rozpadu. Tento rozpad opisuje jadrová rovnica, kde sa β-častica uvoľňuje ako elektrón s priemernou energiou 160 keV.

V posledných rokoch sa zistilo, že niektoré organizmy (rastliny aj živočíchy) disponujú mechanizmom, ktorý dokáže detegovať a odstraňovať rádioaktívny uhlík 14C z tela. Podrobnejšie o tomto jave píše prof. Dr. A. E. Wilder-Smith vo svojej knihe „Natural Sciences Know Nothing of Evolution“, vydanej nakladateľstvom The Word For Today (Costa Mesa, Kalifornia, USA). Táto skutočnosť predstavuje jednu z mnohých vážnych námietok voči údajom o veku v stovkách tisícov až miliardách rokov, ktoré sa často uvádzajú v učebniciach a populárno-vedeckých časopisoch.

Rýchlosť poklesu koncentrácie 14C závisí od doby polčasu rozpadu. Polčas rozpadu je čas, za ktorý sa rozpadne polovica jadier 14C vo vzorke. Po uplynutí jedného polčasu rozpadu zostane vo vzorke polovičné množstvo 14C a za každý ďalší polčas sa tento podiel ďalej znižuje – na štvrtinu, osminu, šestnástinu, tridsaťdvojtinu atď. Po desiatich polčasoch rozpadu zostáva už len 1/1024 pôvodného množstva.

Výpočtom na základe zmeranej koncentrácie 14C v čase nálezu a predpokladanej koncentrácie 14C v čase smrti je možné určiť čas, ktorý uplynul. Tento výpočet však nie je jednoduchý – je potrebné vykonať viaceré korekcie pomocou kalibračných kriviek a zohľadniť miesto nálezu. Rozhodujúce je aj to, či ide o suchozemskú alebo vodnú vzorku. Všetky kalibrácie majú určitú mieru neistoty, pohybujúcu sa v rámci niekoľkých percent.

Zásadné námietky voči určovaniu veku pomocou uhlíka 14C

Napriek všetkému tu vyvstáva niekoľko zásadných námietok. Po prvé, ako môžeme určiť množstvo (koncentráciu) uhlíka 14C v okamihu smrti organizmu? Čo ak bol odumretý organizmus po smrti transportovaný na veľké vzdialenosti do oblastí, kde bola koncentrácia 14C a 12C v okolitej hornine úplne odlišná? Ako si môžeme byť istí, že polčas rozpadu 14C bol počas celej histórie vzorku úplne rovnaký, teda že rýchlosť rozpadu zostávala konštantná?

Je na mieste predpokladať, že podmienky na Zemi pred celosvetovou potopou boli diametrálne odlišné – celé ekosystémy a fungovanie planéty sa výrazne líšili, ako to opisuje kniha Genezis.

Objavuje sa tu aj ďalšia závažná námietka: Ako môžeme vedieť, že počas fosilizácie nedošlo k dramatickým zmenám v koncentrácii 14C a 12C? Polčas rozpadu uhlíka 14C sa uvádza v rozpätí 5 500 až 5 800 rokov, presnú hodnotu sa však doteraz nepodarilo jednoznačne stanoviť, aj keď v rôznych zdrojoch možno nájsť údaje s presnosťou na jednotlivé roky. Výsledná chyba merania pritom nepresahuje 5 %.

Je však potrebné zdôrazniť, že ide len o chybu týkajúcu sa určenia polčasu rozpadu 14C v súčasných podmienkach. To znamená, že za určitých predpokladov – ktoré nemáme možnosť experimentálne overiť – môžeme na základe súčasne overiteľných meraní tvrdiť, že chyba pri určení polčasu rozpadu nepresahuje 5 %. Otázkou však zostáva, v akých predpokladoch a pri akých východiskových hodnotách sú tieto výpočty platné.

Ako vzniká uhlík 14C

Ak by nedochádzalo k obnovovaniu uhlíka 14C v prírode, jeho množstvo by v priebehu času kleslo na nezistiteľné hodnoty. To sa však nedeje, pretože uhlík 14C je neustále dopĺňaný do prírodného kolobehu pôsobením kozmického žiarenia na vzdušný dusík v horných vrstvách atmosféry. Rovnica reakcie je pomerne jednoduchá, kde n predstavuje neutrón a p protón. Zo samotnej rovnice je zrejmé, že množstvo vzniknutých jadier 14C závisí od intenzity kozmického žiarenia.

Opäť pripomínam, že pred celosvetovou potopou bola s najväčšou pravdepodobnosťou výrazne nižšia tvorba a koncentrácia 14C, keďže ionizujúce žiarenie prenikalo do atmosféry podstatne menej. Dnešnú koncentráciu 14C vieme stanoviť pomerne presne, no aké množstvo uhlíka 14C vznikalo napríklad v období egyptskej Starej ríše alebo ešte pred celosvetovou potopou, je možné len hrubo odhadnúť.

Naopak, vplyv činnosti moderného človeka na koncentráciu 14C je veľmi dobre zdokumentovaný. Spaľovanie fosílnych palív spôsobilo pokles koncentrácie 14C v ovzduší, zatiaľ čo pokusné jadrové výbuchy v 50. a 60. rokoch 20. storočia spôsobili jeho nárast rádovo o niekoľko percent.

Ako prebieha meranie uhlíka 14C

Meranie uhlíka 14C je mimoriadne citlivé na presnosť. Priame meranie aktivity vzorku nie je možné využiť, pretože aktivita vzorku sa pohybuje na úrovni desatín až desaťtisícin Bq, čo znamená, že β-častica sa uvoľní raz za 10 sekúnd až 3 hodiny. Preto sa používa hmotnostná spektrometria, ktorá dokáže oddeliť rôzne izotopy a určiť ich pomer. Tento proces pozostáva z viacerých krokov, ktoré možno rozdeliť do dvoch hlavných fáz.

V prvej fáze ide o získanie čistého uhlíka zo vzorku. V druhej fáze sa tento čistý uhlík analyzuje hmotnostným spektrometrom, pričom sa určí obsah jednotlivých izotopov. Vzorka sa prevedie na plynný CO₂, buď spálením, alebo louhovaním v kyseline ortofosforečnej. Následne sa plynný CO₂ čistí a po vyčistení sa karbonizuje pomocou vodíka a katalyzátorov. Výsledkom je čistý uhlík, ktorý je napařený na železnej elektróde a obsahuje izotopy 12C, 13C a 14C.

Celý tento proces trvá 4 dni a prebieha pri teplotách od 700 °C až po -80 °C v prísnom vákuu pomocou aparátu z kremenného skla. Vyrobená elektróda sa následne umiestni do AMS – atómového hmotnostného spektrometra. Tento niekoľkotonový prístroj zaberá miestnosť veľkosti slušnej obývačky a dokáže rozdeliť prúd častíc podľa ich atómovej hmotnosti na niekoľko samostatných prúdov. Prúd 14C sa deteguje a na základe jeho intenzity sa určí obsah 14C vo vzorke.

Cena jednej analýzy sa pohybuje okolo 1200 €. Ak chceme dodržať zásadu viacerých meraní a ich štatistického vyhodnotenia, tri merania znamenajú náklady približne 100 000 Kč. Moderné prístroje sú dnes natoľko presné, že jediný vážny zdroj chyby môže predstavovať už len ľudský faktor. Presnosť merania sa uvádza približne na úrovni 0,2 %.

Použiteľnosť metódy uhlíkového datovania 14C

Použiteľnosť datovania pomocou uhlíka 14C je podľa niektorých odhadov obmedzená na maximálne niekoľko tisíc rokov, po ktorých je chyba merania už neakceptovateľná. Táto metóda je teda vhodná pre „mladé nálezy“ a je vylúčené ju použiť na určovanie veku v stovkách tisícov rokov, nehovoriac o miliónoch či miliardách rokov.

Za deliačiu hranicu použiteľnosti tejto metódy sa ukazuje celosvetová potopa, ktorá sa odohrala približne pred 4 500 rokmi a predstavovala zásadný a dramatický zásah do dejín a štruktúry planéty. Akékoľvek datovanie siahajúce tak ďaleko do minulosti je čistou špekuláciou – hoci experimentálna časť metódy môže byť v poriadku a chyba meracích prístrojov aj samotného merania veľmi nízka, predpoklady týkajúce sa:

• počiatočného množstva materského a dcérskeho prvku,
• rýchlosti ich rozpadu počas celej histórie vzorku,
• vylúčenia kontaminácie a
• dramatických zmien koncentrácie počas fosilizácie

… robia túto metódu použiteľnou len pre veľmi mladé vzorky, ktorých história je zdokumentovaná, teda vzorky staré desiatky až stovky rokov.

Dramatické zmeny počas prírodných katastrof, ako sú záplavy, sopečné erupcie alebo samotná celosvetová potopa, znemožňujú použitie datovania 14C, pretože vstupné hodnoty a parametre sú zaťažené zásadnou neurčiteľnosťou. Tieto hodnoty nie je možné spätne prírodovedne overiť, keďže informácie boli nenávratne stratené. Môžeme ich len odhadovať na základe vlastnej fantázie. Výsledkom je kombinácia vedeckej metódy, predstavivosti vedca a pomerne presných, ale nákladných experimentov.

Zaujímavosťou je, že kalibračné krivky pre datovanie 14C sa odvodzujú zo štúdia letokruhov starých stromov. Treba však podotknúť, že najstaršie stromy sú odhadované na maximálny vek 4000 – 4500 rokov, čo presne zodpovedá časovému horizontu celosvetovej potopy. Kalibračné krivky pre staršie obdobia sú preto vzhľadom na vyššie spomenuté neurčitosti len čírou špekuláciou.

Súvisiace videá a dokumenty

( Biblické lekcie k dispozícii – STIAHNUŤ )