Φορητή συσκευή χρονολόγησης με άνθρακα-14

Posted on 24/04/2016

0


Η διάσπαση του ραδιενεργού άνθρακα-14 αποτελεί μια χαρακτηριστική διάσπαση β

^{14}C \rightarrow \, ^{14}N + e^{-} + \bar{\nu}_{e}

Το γεγονός ότι κατά τη διάσπαση ενός πυρήνα μπορεί να εκπέμπεται ένα ηλεκτρόνιο δε σημαίνει ότι το ηλεκτρόνιο αυτό προϋπήρχε μέσα στο μητρικό πυρήνα. Αυτό που συμβαίνει είναι ότι η εκπομπή ενός ηλεκτρονίου οφείλεται στη διάσπαση ενός νετρονίου του πυρήνα σε ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο. O χρόνος ημιζωής του 14C είναι 5730±40 χρόνια.

Η διάσπαση β του 14C βρίσκει μία από τις πιο συνηθισμένες εφαρμογές στη χρονολόγηση οργανικών δειγμάτων.

Ο άνθρακας-14 δημιουργείται στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας ως αποτέλεσμα πυρηνικών αντιδράσεων που προκαλούνται από σωματίδια της κοσμικής ακτινοβολίας. Η αναλογία του 14C προς τον 12C είναι σταθερή στην ατμόσφαιρα,περίπου ίση με 1,3×10-12.

Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί έχουν την ίδια αναλογία του 14C προς τον 12C λόγω του ότι παίρνουν άνθρακα από το φυσικό τους περιβάλλον και αποβάλλουν συνεχώς διοξείδιο του άνθρακα στο περιβάλλον τους.

Όταν όμως ο οργανισμός πεθάνει, σταματάει να προσλαμβάνει άνθρακα και η αναλογία του 14C προς τον 12C ελαττώνεται ως αποτέλεσμα της διάσπασης β του 14C.

Μετρώντας σήμερα την ενεργότητα ανά μονάδα μάζας σε δείγματα από οργανικά υλικά, προσδιορίζουμε το ποσοστό του 14C που έχει απομείνει και έτσι μπορούμε να προσδιορίσουμε και το χρονικό διάστημα που παρήλθε μετά το θάνατο του οργανισμού από τον οποίο προήλθε.

ραδιοχρόνολόγηση1

Η πιο πάνω περιγραφή προέρχεται από το βιβλίο της Φυσικής Γενικής Παιδείας Γ′ τάξης του Γενικού Λυκείου που κατακρεουργήθηκε προσφάτως (*)

Μέχρι τώρα η διαδικασία ραδιοχρονολόγησης απαιτούσε την αποστολή του δείγματος σε ένα εργαστήριο με φασματογράφο μάζας ή κατάλληλους ανιχνευτές (σε όλο τον κόσμο υπάρχουν περίπου 100 τέτοιες εγκαταστάσεις) και αναμονή αρκετών εβδομάδων μέχρι να βγουν τα αποτελέσματα. Οι φασματογράφοι μάζας ή οι ανιχνευτές μετρούν την ποσότητα του 14C που περιέχει το δείγμα, και στη συνέχεια υπολογίζεται το χρονικό διάστημα μεσολάβησε από το θάνατο του οργανισμού από τον οποίο προήλθε το εν λόγω δείγμα. Έτσι προσδιορίζεται η ηλικία οστών, ξύλινων αντικειμένων, υφασμάτων και οποιουδήποτε υλικού βιολογικής προέλευσης με ηλικία έως και 50.000 χρόνια. Αυτή είναι η καθιερωμένη μέθοδος ραδιοχρονολόγησης με άνθρακα 14.

Eρευνητές από το ινστιτούτο Nazionale di Ottica (INO) στην Ιταλία, παρουσίασαν μια νέα οπτική μέθοδο χρονολόγησης που ανιχνεύει με ακρίβεια τη συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα-14. Η μέθοδος αυτή που είναι φθηνότερη και γρηγορότερη σε σχέση με τις προηγούμενες βασίζεται στη συσκευή SCAR (Saturated-absorption CAvity Ring-down).

Σύμφωνα με τον Iacopo Galli, μέλος της ερευνητικής ομάδας SCAR, χρησιμοποιώντας νέα τεχνική μας, μπορούμε να κάνουμε κάτι παρόμοιο, αλλά με χαμηλότερο κόστος και πολύ γρηγορότερα.

Η ακρίβεια της συσκευής  SCAR στον προσδιορισμό της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα-14 είναι 0,4%, πολύ κοντά στην ακρίβεια των καλύτερων φασματογράφων μάζας που φτάνουν στο 0,2%. Η νέα τεχνική μπορεί να δώσει αποτελέσματα μέσα σε δυο ώρες και το κόστος της μιας χρονολόγησης είναι το μισό σε σχέση με τις καθιερωμένες μεθόδους.

Σχηματικά η πειραματική διάταξη SCAR (Saturated-absorption CAvity Ring-down)

Σχηματικά η πειραματική διάταξη SCAR (Saturated-absorption CAvity Ring-down) που ανιχνεύει μέσα σε δυο ώρες τη συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα-14. Η μέθοδος αυτή είναι φθηνότερη και κυρίως φορητή.

Η συσκευή SCAR είναι 100 φορές μικρότερη και 10 φορές φθηνότερη σε σχέση με τα όργανα που χρησιμοποιούνται σήμερα για την ραδιοχρονολόγηση και αν παραχθεί ως φορητή συσκευή τότε αναμένεται να φέρει επανάσταση στην αρχαιολογική έρευνα.

Η συσκευή SCAR ανιχνεύει την ποσότητα του 14C διαμέσου της αλληλεπίδρασης του φωτός με τα μόρια του διοξείδιου του άνθρακα. Το διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται από την καύση του δείγματος του οποίου ζητείται η ηλικία διοχετεύεται σε έναν θάλαμο κενού μήκους ενός μέτρου. Εκεί μια δέσμη φωτός από λέιζερ αλληλεπιδρά με τα μόρια του αερίου διοξειδίου του άνθρακα που βρίσκονται στην κοιλότητα που διαθέτει υπερ-ανακλαστικά τοιχώματα στα δυο άκρα της. Καθώς το φως ανακλάται επαναλαμβανόμενα στους καθρέπτες των άκρων τα μόρια του διοξειδίου του άνθρακα-14 απορροφούν ένα μέρος του. Αφού το φως διανύσει μέσα στην κοιλότητα 5 χιλιόμετρα (!) η ποσότητα φωτός (μιας συγκεκριμένης χαρακτηριστικής συχνότητας) που θα απορροφηθεί αρκεί για να προσδιορίσει την ποσότητα του άνθρακα-14.
Οι ερευνητές θα επιμείνουν στην βελτίωση της φορητότητας της συσκευής, της ακρίβειας των μετρήσεων και θα εξετάσουν πιθανές νέες εφαρμογές.

(*) Υπενθυμίζεται γι ακόμη μια φορά ότι το μάθημα της Φυσικής Γενικής Παιδείας έπαψε διδάσκεται στην Γ′ Λυκείου, στο πλαίσιο μιας ΜΕΘΟΔΙΚΗΣ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗΣ του μαθήματος που επιχειρείται στη μέση εκπαίδευση εδώ και αρκετό καιρό. Μάλιστα τώρα τελευταία ακούγεται ότι τα «υπολείμματα» του μαθήματος της φυσικής θα διδάσκονται και από καθηγητές απίθανων ειδικοτήτων που διορίστηκαν στα τεχνικά λύκεια, όταν οι φυσικοί-φυσικοί [όχι οι φυσικοί-ραδιοηλεκτρολόγοι ή -πληροφορικοί ή -.50 😉 ] έβλεπαν το δημόσιο σχολείο με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble. Αλλά αυτό είναι μια άλλη ιστορία.