Tema - Mars 2006

Vi hører ofte om karbon-14 metoden, og vet kanskje at det er et viktig
hjelpemiddel når forskere skal bestemme alderen på døde dyr og planter.
Metoden kan faktisk aldersbestemme legemer med alder opptil 70 000 år!
Men hva er karbon-14 egentlig? Og hvordan virker metoden?

For å ta litt historie først. Karbon-14-metoden ble tatt i bruk først rundt 1950 - nærmere bestemt fikk man metoden i 1949. Men historien starter et tiår tidligere. Tidlig på 1940-tallet oppdaget forskerne David Kamen og Samuel Ruben karbon-14 (C14), og fant ut at det var med i en prosess kalt karbonsyklusen, som jeg kommer inn på senere. Kamen og Ruben utgjør dermed første del av oppdagelsen av karbon-14-metoden. Men det var først Willard F. Libby fra Chicago som gjorde oppdagelsen virkelig sensasjonell! Han fant nemlig ut at det kunne brukes til å bestemme alderen på døde dyr og planter, ved å finne ut halveringstiden!

I begynnelsen trengte man store mengder karbon for å bestemme alderen. Den gang brukte man et veldig sensitivt verktøy, en geigerteller, som registrerte den radioaktive strålingen fra de aktuelle legemene. (Geigertelleren registrerer hver gang den blir truffet av stråling.) Dermed kunne man, ved å vite at halveringstiden er på 5730 år, finne ut hvor lenge legemet har vært dødt. Lubby kunne datere legemer som var opptil 50 000 år gamle! Dette var en sensasjonell oppdagelse, noe som førte til at han fikk Nobelprisen i kjemi i 1960.

Senere utviklet den amerikanske fysikeren Louis Alvarez en mer vanlig metode for å datere stoffer på. Prinsippet går ut på at en massespektograf identifiserer og måler karbon-14 atomene på grunnlag av vekt eller masse. Han kunne altså måle det totale antallet atomer, ikke bare de som desintegrerte. Man teller altså nå atomer, i stedet for å måle stråling. Dette var også en sensasjonell oppdagelse, siden det ved denne metoden går an å aldersbestemme prøver som bare er et milligram - et tusendels gram altså!

Men hvordan virker egentlig karbon-14 metoden og hva er egentlig karbon-14?
Karbon har tre naturlige isotoper. Isotoper er atomer fra samme grunnstoff, men med forskjellig antall nøytroner (og dermed forskjellig vekt). Karbonatomer inneholder vanligvis seks protoner og seks nøytroner og kalles derfor karbon-12. Vi har også en karbon-13 variant. Men det finnes også en tyngre radioaktiv variant, karbon-14! Karbon-14 inneholder nemlig åtte nøytroner i kjernen. De fleste stoffene i naturen er altså stabile, men karbon-14 er ustabil og radioaktiv. Dvs. at stoffet blir omdannet til andre stoffer samtidig med at det gir fra seg radioaktiv stråling. Mengden av dette radioaktive stoffet vil dermed avta eksponentielt med tida.

Karbon-14 blir kontinuerlig dannet i atmosfæren, ved at nøytroner i kosmisk stråling treffer nitrogenatomer, nitrogen-14 (99, 634 % av alt nitrogen er nitrogen-14), og omdanner disse til karbon-14. Kosmisk stråling inneholder både høy kinetisk energi, og tunge ioner. Når denne kosmiske strålingen kommer inn i atmosfæren, treffer den atomer og det blir dannet et ladd nøytron. Når nøytronet fra den kosmiske strålingen treffer et nitrogen-14, med sju protoner og sju nøytroner, blir det plutselig åtte nøytroner. Det nye stoffet får seks protoner, og vi får dermed karbon-14! Til overs ser vi nå at vi har et proton.
Nitrogen omdannes altså til karbon-14 ved hjelp av kraftig kosmisk stråling som bombarderer nitrogenatomene med nøytroner!

Karbon-14 reagerer så raskt med oksygen, og blir til karbondioksid som inneholder det radioaktive karbonatomet. Dermed befinner det seg to typer karbon og karbondioksid, en med karbon-12 og en med karon-14, det radioaktive stoffet. Men det er svært få av disse CO2-molekylene som er radioaktive, bare 1 billiondel! (Altså 1 / 1 000 000 000 000 !)

Karbon-14 i karbondioksid tas opp i planter som vokser, og som kan bli spist av dyr. Havet får også tilført karbon-14, siden det utveksler karbondioksid med atmosfæren. Alt levende, både planter, dyr og mennesker, får karbon-14 i seg, og har derfor et naturlig nivå av karbon-14. I alt levende materiale er dermed 1 billiondel av alt karbonet karbon-14-isotoper. Dermed introduseres karbon-14 i næringskjedene!
Når så plantene og dyrene dør, får ikke organismene tilført nytt karbon. Og fordi karbon-14 er ustabilt, omdannes det langsomt til nitrogen (nitrogen-14 som er den vanligste nitrogenisotopen) gjennom raioaktiv nedbrytning. Samtidig avgir stoffet radioaktiv stråling med en helt bestemt energi. Nitrogenet vender så tilbake til atmosfæren igjen. I gammelt plantemateriale er dermed andelen av karbon-14-isotopen lavere enn i levende materiale. Nitrogen omdannes altså til karbon-14, som senere omdannes tilbake til nitrogen igjen.
Nedbrytningen skjer langsomt, like langsomt som når nitrogen omdannes til karbon-14 i atmosfæren. Halveringstiden er 5730 år, og det er den kunnskapen man bruker ved datering etter karbon 14-metoden. Etter 5730 år vil altså andelen av den ustabile karbonisotopen (Isotoper er atomer fra samme grunnstoff, men med forskjelig antall nøytroner (og dermed forskjellig vekt)) ha blitt redusert til det halve i døde organismer. Ved å måle mengden av den ustabile karbonisotopen i f.eks. gamle beinrester fra et menneske, og sammenlikne det med innholdet i tilsvarende bein hos et levende menneske, kan forskerne beregne hvor gamle beinrestene er. Det er her man bruker Alvarez' massespektograf-metode som måler antallet karbon-14 atomene på grunnlag av vekt eller masse.

I dag blir prøven anbrakt i en akselerator som enkelt sagt er i stand til å sortere det tyngre karbon-14 fra det lettere karbon-12. Men selv om vi i dag trenger kun et milligram, må det tross alt være en viss mengde karbon-14 til stede i organismen man vil aldersbestemme i forhold til massen. Derfor kan ikke materialet være særlig mye mer enn 50 000 år gammelt (i høyden 70 000).

Det er svært lite karbon-14, i forhold til f.eks. karbon-12. Hele 98,89 % av karbon er karbon-12, med seks nøytroner i kjernen. 1,11% er karbon-13, mens karbon-14 utgjør bare 0,0000000001 % (dvs. 1 opphøyd i -10 %)! Det er enormt lite! For å illustrere dette, kan en tenke seg at hvis hele Norge blir dekket med kronestykker, er kun ett av disse da karbon-14!

Forholdet mellom karbon-14 og karbon-12 har også variert opp gjennom tidene. Dette kan skyldes både nedgang i jordens magnetfelt, endringer i solas styrke og strålingsmengde, samt vår industrielle og forurensende levemåte med store karbondioksidutslipp - spesielt etter den industrielle revolusjon, og atombombesprengninger. Atombomber som sprenges i atmosfæren f.eks., vil frigi mange nøytroner slik at det dannes mer karbon-14! Da vil det ta lang tid for de siste karbon-14 restene etter bombetestene forsvinner, pga. den lange halveringstiden.

Men apropos halveringstid. Halveringstiden til karbon-14 er 5730 år. Men hva er egentlig halveringstid for noe?
Halveringstiden er definert som den tiden det tar før halvparten av atomkjernen til en radioaktiv nuklide (dvs. et atom med et bestemt nukleontall, atomnummer og energitilstand) er omdannet til andre typer kjerner. Fra 1 halveres det til 1/2 videre til 1/4 og til 1/8 osv. Da ser vi fort at karbon-14 tapet går raskt i begynnelsen, men etter hvert blir tapet mindre og mindre, fordi det f.eks. halveres fra 1/4 til 1/8. Kurven blir synker dermed bratt i begynnelsen, for så å flate mer og mer ut. Vi sier ofte at mengden av radioaktive stoffer (deribland karbon-14) avtar eksponentielt med tiden.
Denne halveringen er konstant, dvs. at det tar alltid 5730 år å halvere karbon-14. Altså er halvparten av karbon-14 mengden omdannet til andre stoffer (ved hjelp av betastråling). Takket være denne halveringskonstanten, kan man beregne alderen på organismer. Når vi vet hvor mye karbon-14-mengden er redusert, kan vi regnet ut alderen på materialet!
Hvis mengden av radioaktivt stoff i begynnelsen er N0, vil mengden N(t) etter t år være
N(t) = N0 * (k opphøyd i t) der k er en vekstfaktor som er mindre enn 1.
Halveringstiden H er bestemt ved at
N(H) = N0 / 2
N0 * (k opphøyd i H) = N0 / 2
k opphøyd i H = 1 / 2 = 2 opphøyd i -1
Dette uttrykket bruker vi til å finne en ny formel for N(t):
N(t) = N0 * (k opphøyd i t) = N0 * (k opphøyd i (H * t / H) ) = N0 * ((k opphøyd i H) opphøyd i t /H = N0 * ((2 opphøyd i -1) opphøyd i t / H) = N0 * 2 opphøyd i ( -1 *
t / H)
Vi får da at N (t) = N0 * (2 opphøyd i -t/H).
Når vi har en mengde N0 av et radioaktivt stoff med halveringstid H år, blir mengden etter t år redusert til N (t) = N0 * (2 opphøyd i -t/H) som vi kom frem til i sted. (Legg merke til minustegnet foran eksponenten. Eksponenten -t/H er altså negativ.)
Hvis vi f.eks. skal finne ut hvor mye det er igjen av karbon-14 isotopen etter 10 000 år, setter vi tallene vi allerede vet inn i formelen og får:
N(10 000) = 100 * 2 (opphøyd i -10 000/5730) = 30.
t år etter at en levende organisme døde, er andelen av karbon-14-isotoper redusert til p % av mengden i den levende organismen, der
p = 100 * (2 opphøyd i -t/5730)
Ved å bruke denne formelen finner vi ut at karbon-14-innholdet er 78, 5 % av det normale i et materiale som er 2000 år gammelt. (Vi setter altså bare t = 2000.)
Hvis karbon-14-innholdet er 15 % av vanlig nivå, kan vi finne ut at alderen er 15 700 år gammel, ved å bruke formelen (eller tegne graf). (Vi setter altså p = 15, og løser den som eksponentiallikning.)
Vi kan også finne ut hvor lang tid T(x) det går, målt i år, før vi har igjen x prosent av isotopen. Det kan vi finne av funksjonen
T(x) = 19 035 * (2 - lg x)   og x er større enn 0 og mindre enn 100.
Ut ifra denne funksjonen kan vi regne ut hvor lang tid det tar før det kun er igjen 50 % av isotopen. Det er da selvfølgelig gått 5730 år.

Man kan fastslå alderen ved hjelp av metoden med en sikkerhet på + - 40 år.

Men når kan karbon-14 dateringsmetoden egentlig brukes?
Karbon-14 metoden kan brukes til å aldersbestemme alt biologisk materiale. Eksempler på det er bein, trær og treverk, stoff som tøy, sko osv., plantefiber, skaller, knokler, sjøskjell, lær, leire og sedimenter, iskjerner, jord, pollen, hår, blodrester, papir, tekstiler, fiskebein... Forskere bruker bl.a. karbon-14 for å få kartlagt mye historie, samt miljø- og klimaendring/utvikling.

Det finnes også andre tilsvarende metoder som kan brukes til å måle alderen på materiale som ikke er organisk, og materiale som er mye eldre enn 50 000 år. Uranisotopen U238 er radioaktiv og blir gjennom en lengre prosess omdannet til blyisotopen Pb206. Halveringstiden er omtrent 4,5 milliarder år. Når vi da kjenner mengden av U238 og Pb206 i en bergart f.eks., kan vi finne ut hvor gammel bergarten er, omtrent på samme måten som med karbon-14-metoden.

Argon er en edelgass og binder seg derfor ikke til andre stoffer og vil heller ikke binde seg til krystaller av noe slag. Det finnes derfor aldri argon i nydannet krystall, og det trekker heller ikke inn i krystaller på senere tidspunkt. Kalium binder seg derimot fort til mineraler og vil være til stede når krystaller blir dannet. I kalium er det alltid en viss mengde av kaliumisotopen K40. Denne isotopen blir omdannet til gassen argon. Krystallene er så tette at argongassen ikke slipper ut. Mengden av argongass i et krystall kan dermed fortelle oss om alderen på krystallet.

Det finnes også en tilsvarende metode som kan oppnås med isotopen nitrogen 15. Knokler hos folk som utelukkende lever av dyreprodukter, inneholder nemlig 50 % mer nitrogen 15 enn hos folk som lever av planteføde.

Det er også tidligere nevnt en isotop som heter karbon-13, den siste av de tre karbonisotopene, og finnes i større mengde enn karbon-14. Karbon 13 er en stabil isotop, og det finnes mer av den i havet enn på landjorden. Ut fra en knokkels innhold av karbon-13 kan man derfor se hvor stor del av det aktuelle menneskets kosthold som har kommet fra havet. I Danmark har man bl.a. på denne måten vært i stand til å finne ut at folkene i hele den siste delen av jegersteinalderen fikk 75 % av maten fra havet, og at de spiste både fisk, sel og småhval.

For å aldersbestemme trær, brukes en enda mer nøyaktig dateringsmetode, kalt dendrokronologi. Ved hjelp av denne metoden kan man telle årringene som dannes pga. vekstforskjeller fra sommer og vinter, og finne ut hvor gammelt treet er. En årring tilsvarer en vinter, og mellomrommet til neste årring tilsvarer en sommer, fordi det er om sommeren treet vokser. Hver årring tilsvarer altså ett år.

Det finnes også flere andre ulike metoder når vi prøver å tidsbestemme historiske funn. Noen arkeologiske metoder for slik datering er bl.a. den typologiske metoden, myntmetoden og strandforskyvningsmetoden. Ved datering av keramiske funn bruker arkeologer noen ganger TL-datering (termoluminescens).

 

Har du spørsmål eller kommentarer? Kontakt gjerne på mail!

---

Kontakt: piacere(krøllalfa)start.no