Tajemnice „C14”: po co nam datowanie radiowęglowe?

Pomimo upływu paru lat od napisania tego artykułu wielu z nas ciągle zdarza się wysyłać zabytki na tzw. „badanie C14”. Odnosimy się do niej dosyć często w nadziei, że w magiczny sposób rozwieje nasze wątpliwości chronologiczne. Jak właściwie działa datowanie radiowęglowe? Jakie zagadki kryje tak często stosowana metoda ¹⁴C, a jakich kłopotów przysparza?

Nic bliższego człowiekowi jak czas. Dotyka nas bez chwili przerwy. Archeolog myśli o czasie dość dawno minionym. Czasem samym zajmują się też fizycy. Jeżeli ktoś wie, czym jest czas, to na pewno Oni. Potrafią mierzyć go bardzo dokładnie. Czas bieżący, zegarkowy, nawet kalendarzowy, ale – co z archeologicznym czasem przeszłym… Wzorzec nauk przyrodniczych – fizyka nie zostawia archeologów samym sobie. Nie są już skazani jedynie na zestawianie ze sobą obiektów w celu ustalenia, który z nich jest starszy, a który młodszy (tzw. datowanie względne). Fizyka daje im narzędzie, za pomocą którego mogą dany zabytek umiejscowić konkretnie na osi czasu ( tzw. datowanie bezwzględne w tym m.in. datowanie radiowęglowe).

Fizycy na szczęście, mają co zaoferować badaczom przeszłości, gdyż zdarzyło się, że jeden z najważniejszych pierwiastków życia – węgiel, ma bardzo ciekawy, niestabilny izotop. Czy archeolog datujący szczątek organiczny, czyli kość albo drewnianą ozdobę, musi wiedzieć, co to jest izotop? I dlaczego „14”? Na pewno zna symbol „C” – węgiel. Izotop węgla to też węgiel. Izotop ¹⁴C wykorzystywany w metodzie radiowęglowej jest nieco inny niż zwykły (główny) ¹²C. Nie przypadkiem inaczej się nazywa. Istnieje też ¹³C, izotop pośredni, bardzo przydatny do korygowania drobnych błędów, wynikających z tego, że ¹⁴C jest trochę cięższy od ¹²C.

Promieniowanie a datowanie radiowęglowe

Radiacja to promieniowanie. Radiowęgiel to węgiel promieniotwórczy. To, że „tworzy” on promieniowanie ma dla nas znaczenie tylko o tyle, że ów akt twórczy atom przypłaca śmiercią. A właściwie to tylko unicestwieniem swej osobowości, bo zamienia się w azot N (¹⁴N). A w istocie rzeczy wraca do swej pierwotnej postaci, gdyż ¹⁴C z azotu się narodził. Powstał w górnych warstwach atmosfery, bombardowanych promieniowaniem kosmicznym. Przypomnijmy, że nasze powietrze składa się w 80% z azotu właśnie.

Można sobie wyobrażać wszechświat z inteligentnym życiem, a bez izotopu ¹⁴C. W naszym Wszechświecie, przez duże „W”, my, ludzie starzejemy się. Zwierzęta, rośliny, sprzęty techniczne też. To proces losowy, ale dość systematyczny. Otóż izotop radioaktywny nie starzeje się w ogóle, jest cały czas identyczny, o ile… jest. Właśnie, bo przecież nie trwa w nieskończoność. Po prostu, w pewnym momencie (jak wybranym?) znika, właściwie przeobraża się. Jeden atom robi to wcześniej, inny, sąsiedni, później, jeszcze inny dużo później… Nie ma tu żadnej równości ani sprawiedliwości, nawet względnej, jak u ludzi. A jednak atomy te są ZUPEŁNIE identyczne, dopóki są. Jak to się dzieje? Nie wiadomo.

Rozpad kluczem do sukcesu

Jeżeli obserwowalibyśmy, na przykład dziesięć atomów ¹⁴C, to od momentu uruchomienia stopera (bynajmniej nie od chwili, gdy one powstały) pożyją one, mniej więcej tak, od najszybszego do najstarszego: 500 lat, 1 tys. lat, 2 tys. 3, 4, 5, 7, 9, 13, 17 tysięcy lat. Oczywiście czas ich trwania nie będzie tak rozłożony; najmłodszy może „pożyć” równie dobrze 123 lata i dwa miesiące, a długowieczny: 123 456 lat i pięć miesięcy oraz dwa dni.

Jeżeli weźmiemy pod uwagę bardzo dużo atomów ¹⁴C, to mniej więcej połowa z nich rozpadnie się przed upływem czasu 5 730 lat (to tzw. okres połowicznego zaniku radiowęgla). Po upływie kolejnych pięciu tysięcy siedmiuset trzydziestu lat zostanie już tylko ćwierć tego, co było na początku, potem 1/8, 1/16 itd. aż do ostatniego atomu, który rozpadnie się wtedy, kiedy… będzie chciał. Zegar ten tyka regularnie tylko wówczas, gdy mamy dużo atomów.

Ile węgla potrzebujemy do datowania? Wystarczyłoby tyle, żeby było w nim ze sto tysięcy atomów ¹⁴C. Dlaczego właśnie tyle? Bo wtedy niepewność zliczania ich będzie wynosiła 3 promile, czyli będzie dość mała (100000-1/2=3‰. Gdy rozrzucimy 100 monet, to wcale nie dokładnie 50 orłów będzie u góry.) Ile węgla trzeba, by było w nim 105 atomów ¹⁴C? To jest tak: w węglu o wieku zero lat na każdy atom ¹⁴C przypada 1012 atomów ¹²C (zbieżność dwunastek przypadkowa). Liczmy więc: 105*1012=1017 atomów węgla. Ponieważ jeden atom węgla waży 2*10-23g, to razem będą ważyły 2 mikrogramy. Wyszło bardzo mało, ale to przy założeniu, że policzymy wszystkie atomy ¹⁴C. Na tyle dobrze z tą techniką pomiarową jeszcze nie jest. Do ideału zbliżają się fizycy w Zurychu (10µg im już wystarcza), ale nawet, gdy uruchomią komercyjną linię, to datowanie tak małych próbek nie będzie tanie.

Czy potrzebna nam cała deska?

Tu doszliśmy do całkiem praktycznego tematu, do pytania, jak duży kawałek bezcennego zabytku musimy wysłać do spalenia w laboratorium. Odpowiedzi są dwie, ale w obu przypadkach trzeba pamiętać, że potrzebny jest węgiel, a nie piach ani inne minerały. Są dwie odpowiedzi, gdyż technika pomiarowa jest w fazie „schizofrenii” już dość długo.

Istnieją dwie metody, stara, która siłą rzeczy nazywana jest konwencjonalną i nowa o tajemniczej nazwie AMS, z czego „A” znaczy akcelerator, czyli przyspieszacz. Dlaczego nowa aparatura nie wypiera starej? Bo jest bardzo droga – proste. Nowa jest szybsza, ale przede wszystkim potrzebuje mniej węgla. W starej liczy się atomy ¹⁴C, które „zechciały” się rozpaść w czasie dwudobowego pomiaru, a w nowej liczy się po prostu wszystkie. Nieważne jak to się robi, ważne, ile potrzeba węgla (i ile to kosztuje). Do rzeczy więc: otóż „na AMS” potrzeba paru miligramów drewna, a do konwencjonalnego laboratorium wysłać musimy parę gramów, czyli tysiąc razy więcej. To jest różnica. Tyle, że czasami, po prostu mamy dużo materiału do dyspozycji. Z drugiej strony, materiał może być tak cenny (np. Całun Turyński), że koszt nie gra roli.

Trzeba jeszcze zwrócić uwagę, że konwencjonalne laboratoria (wielkopróbkowe) nazywają się: scyntylacyjnymi albo licznikowo-proporcjonalnymi (są też scyntylacyjne licznikowe). Uprośćmy sprawę: AMS znajduje się w Poznaniu, szefem jest Tomasz Goslar. Pierwsze w Polsce konwencjonalne laboratorium z licznikami proporcjonalnymi i scyntylacyjnymi w Gliwicach kierowane jest przez Annę Pazdur. Scyntylacyjnym Laboratorium w Skale pod Krakowem kieruje Marek Krąpiec. Poznańskie Laboratorium z zasady służy archeologom, jednak nie wyłącznie; nie oznacza to bynajmniej, że pozostałe dwa ośrodki stronią od tego typu zleceń. Radiowęglowcy polscy tradycyjne dobrze współpracują z archeologami (autor był nawet u nich dwa lata na pełnym etacie).

Jakie są zalety i wady metody radiowęglowej w datowaniu archeologicznym?

Skoro jest tak dobrze, to dlaczego nie przekłada się to na właściwe wykorzystanie datowań. Wszystkiemu winna jest kalibracja. Sięganie w przeszłość, to nie to samo, co bieżące obserwowanie ruchu wskazówek zegara. Datowanie polega na:

1. Policzeniu atomów ¹⁴C w próbce dziś,
2. Policzeniu atomów ¹⁴C wtedy, gdy rosło to zboże, którego spalone ziarnka archeolog wygrzebał i…
3. Obliczeniu proporcji, logarytmu i pomnożeniu przez 5 730 lat (¹³C też ma w obliczeniach swój niewielki udział).

Uważny Czytelnik spyta, jak wykonać punkt 2. Jak dojść do danych z przeszłości, uzyskać coś na „wtedy”. Rzecz nie jest tak beznadziejna, jak się wydaje. Otóż rośliny, ale więc i kolejne ogniwo – zwierzęta czerpią węgiel z atmosfery. A wietrzna atmosfera się miesza. Na całej Ziemi, a w każdym razie na naszej półkuli, w danym roku, wszędzie jest tyle samo ¹⁴C. W związku z tym nasuwa się myśl, to może w takim razie, po prostu zawsze i wszędzie jest tyle samo ¹⁴C. Otóż: NIE.

W atmosferze i w żywej biosferze ilość ¹⁴C waha się z różnych powodów. Nasza Ziemia, ale i nasz Kosmos są skomplikowane i wcale nie są absolutnie stabilne. Więc jak sobie z tym poradzić? Wystarczyłoby znaleźć obok ziaren w ognisku… tabliczkę miedzianą z napisem 5 678 BC i tak dla każdego roku, ale tylko po jednej takiej próbce dla całego świata. To oczywiście żart, ale obrazowy. Taka jest istota kalibracji – użycie wzorcowego obiektu o znanej wartości cechy, którą chcemy mierzyć.

---