რადიონახშირბადული დათარიღება

რადიონახშირბადული დათარიღება, ნახშირბადის დათარიღება ან ნახშირბად 14-ით დათარიღება — მეთოდი, ორგანული მასალის შემცველი ობიექტის ასაკის დასადგენად, ნახშირბადის რადიოაქტიური იზოტოპის გამოყენებით. მეთოდი შეიმუშავეს 1940-იანი წლების ბოლოს, ჩიკაგოს უნივერსიტეტში. გამოიგონა უილარდ ლიბმა, რომელმაც 1960 წელს ქიმიის დარგში ნობელის პრემია მიიღო.

¹⁴C დედამიწის ატმოსფეროში.

მოქმედების პრინციპი მდგომარეობს შემდეგში, ¹⁴C, ნახშირბადი რადიოაქტიური იზოტოპი მუდმივად წარმოიქმნება ატმოსფეროში კოსმიური სხივების აირად აზოტზე ზემოქმედებით. შემდგომში ეს ნახშირბადი წარმოქმნის სხვა ნივთიერებებს, რომელიც შეიწოვება მცენარეებისა და ცხოველების მიერ, ხოლო როდესაც ისინი მოკვდებიან, ორგანიზმსა და გარემოს შორის ნახშირბადის ამ კონკრეტული იზოტოპის ცვლა წყდება, რის შემდეგაც ნახშირბადი რჩება ორგანიზმში და იწყებს რადიოაქტიურ დაშლას. როდესაც მეცნიერები აღმოაჩენენ ძველი მცენარის ნაშთს ან ცხოველის ძვალს, მათ შეუძლიათ დაადგინონ მათი დაახლოებითი ასაკი, იმის მიხედვით, თუ რა რაოდენობის ¹⁴C დაიშალა მისი გარდაცვალებიდან დღემდე. ნახშირბად 14-ის ნახევარდაშლის პერიოდია (ამ დროს ატომების რაოდენობა ნახევრდება) 5 730 წელი.

1960-იანი წლებიდან მიმდინარეობს კვლევები, თუ რა რაოდენობით იცვლებოდა დედამიწაზე ნახშირბადის ეს იზოტოპი. შესწავლა ძირითადად ხდება ორგანიზმების ნამარხებისგან, ანუ სხვადასხვა პერიოდში მცხოვრები არსებების ორგანიზმში განსხვავებული კონცენტრაციითაა ¹⁴C. დამატებითი ინფორმაცია მეცნიერებმა წიაღისეული საწვავისგან მიიღეს, როგორიცაა ნახშირი და ნავთობი. მათზე ნახშირბაის რადიოაქტიური იზოტოპის აღმომჩენი ტესტები ჩატარდა 1950-1960-იან წლებში. იმის გამო, რომ ბიოლოგიური მასალის წიაღისეულ საწვავად გადაქცევას უფრო მეტი დრო სჭირდება, ვიდრე ნახშირბად 14-ის დაშლას, ამიტომაც წიაღისეული საწვავი თითქმის არ შეიცავს ნახშირბადის ამ იზოტოპს. იზოტოპი ყოველთვის არსებობდა ატმოსფეროში, მაგრამ მისი კონცენტრაციის შემცირება იწყება XIX საუკუნის ბოლოდან, თუმცა მეოცე საუკუნეში გახშირებულმა ბირთვულმა ტესტირებებმა მკვეთრად გაზარდა მისი შემცველობა ატმოსფეროში, ხოლო პიკს მიაღწია დაახლოებით 1965 წლისთვის, ამ პერიოდში ორჯერ მეტს შეიცავდა ატმოსფერო, ვიდრე ეს იყო ტესტირებების დაწყებამდე.

ისტორია

1939 წელს, მარტინ კამენმა და სამუელ რუბენმა, ბერკლის რადიაციულ ლაბორატორიაში დაიწყეს ექსპერიმენტები იმის დასადგენად, იყო თუ არა ორგანულ ნივთიერებებში გავრცელებული ელემენტების რომელიმე იზოტოპი, რომლის რომლის ნახევარდაშლის პერიოდი საკმაოდ დიდი იქნებოდა იმისათვის, რათა შეესწავლათ, რაც ბიომედიკურ კვლევებში ღირებული იქნებოდა. მათ ასინთეზეს ნახშირბად 14 ლაბორატორიაში, ციკლოტრონული ამაჩქარებლის საშულებით და დაადგინეს, რომ ამ იზოტოპის დაშლის პერიოდი იმაზე მეტი იყო, ვიდრე აქამდე თვლიდნენ მეცნიერები. ამ პერიოდშივე სერჟ ა. კორფმა, ფილადელფიის ფრანკლინის ინსტიტუტიდან, დაასაბუთა მოსაზრება, რომ ნეიტრონების ურთიერთქმედება ზედა ატმოსფეროში არსებულ აზოტთან, წარმოქმნის ნახშირბად 14-ს. მანამდე იყო მოსაზრება, რომ ნახშირბადის ეს იზოტოპი წარმოიქმებოდა ნახშირბად 13-ისა და წყალბადის იზოტოპ დეიტერიუმის ურთიერთქმედებით. მეორე მსოფლიო ომის დროს, უილარდ ლიბმა, რომელიც მაშინ ბერკლიში იმყოფებოდა, შეიტყო ამ კვლევის შესახებ და დაადგინა, რომ შესაძლებელი იყო რადიონახშირბადის გამოყენება დათარიღებისთვის.

1945 წელს ლიბი გადავიდა ჩიკაგოს უნივერსიტეტში, სადაც მან დაიწყო მუშაობა რადიონახშირბადულ დათარიღებაზე. 1946 წელს გამოაქვეყნა ნაშრომი, რომელშც ამტკიცებდა, რომ ცოცხალი ორგანიზმები შეიცავენ გარკვეული რაოდენობის რადიონახშირბადს. ლიბმა და რამდენიმე მისმა თანამშრომელმა ჩაატარეს ექსპერიმენტი ბალტიმორიში გამდინარე წყლებიდან შეგროვებულ მეთანზე, ხოლო მათი ნიმუშების იზოტოპიურად გამდიდრების შემდეგ მათ შეეძლოთ იმის თქმა, რომ იგი შეიცავდა ¹⁴C-ს. ამის საწინააღმდეგოდ, ნავთობისგან მითებულმა მეთანმა არ აჩვენა რადიონახშირბადის არსებობა მისი ასაკის გამო. შედეგები შეაჯამეს 1947 წელს, ხოლო ავტორები აცხადებდნენ, რომ მათი აღმოჩენის საშუალებით შესაძლებელი იქნებოდა ორგანული მასალის შემცველი მატერიის დათარიღება.

ლიბიმ და ჯეიმზ არნოლდმა შეამოწმეს რადიონახშირბადული დათარიღების თეორია, ისეთ ნიმუშებზე, რომელთა ასაკიც ცნობილი იყო. პირველად მათ ცდა ჩაატარეს ორ ეგვიპტის მეფეზე, რომლებიც იყვნენ: ჯოსერი და სნეფრუ. ისინი თარიღდებოდნენ ძვ. წ. 2625 წ. პლულ მინუს 75 წლით და რადიონახშირბადით გაზომვამ, დაათარიღა საშუალოდ ძვ. წ. 2800 წ. პლუს მინუს 250 წლით. ეს შედეგები გამოქვეყნდა ჟურნალ „Science“- ში, 1949 წელს. აქედან 11 წლის შემდეგ, მსოფლიოს მასშტაბით უკვე არსებობდა 20-ზე მეტი რადიონახშირბადული დათარიღების ლაბორატორია. 1960 წელს ამ აღმოჩენისთვის ლიბს მიენიჭა ნობელის პრემია ქიმიის დარგში.

ქიმია და ფიზიკა

¹⁴C-ის წარმოქმნა და დაშლა.

ბუნებაში არსებობს ნახშირბადის ორი სტაბილური იზოტოპი, ნახშირბად 12 (¹²C) და ნახშირბად 13 (¹³C) და ერთი არასტაბილური რადიოაქტიური ნახშირბად 14-ის (¹⁴C) იზოტოპი, რომელიც ცნობილია, როგორც „რადიონახშირბადი“. ვინაიდან ნახშირბად 14-ის ნახევარდაშლის პერიოდი 5 730 წელს შეადგენს, ამიტომაც იგი ატმოსფეროში ათასობით წელი რჩება. მართალია ათასობით წლის შემდეგ ეს ატომები იშლებიან, თუმცა ქვედა სტრატოსფეროსა და ზედა ტროპოსფეროში ისინი მუდმივად წარმოიქმნებიან, ძირითადად კოსმოსური სხივების ზეზემოქმედებით. გამოსხივება შედგება ნეიტრონებისგან, რომლის აზოტ 14-ის ატომთან დაჯახებისას წარმოქმნის ნახშირბად 14-ის იზოტოპს და პროტონს:

n + ¹⁴N → ¹⁴C + p

სადაც n წარმოადგენს ნეიტრონს, ხოლო p პროტონს. წარმოქმნის შემდეგ, ნახშირბად 14 სწრაფად ამყარებს ბმას ატმოსფეროში არსებულ ჟანგბადთან, რის შემდეგაც, ჯერ წარმოიქმნება ნახშირბადის მონოოქნიდი (CO), შემდეგ კი ნახშირბადის დიოქსიდი (CO₂). რეაქცია მიმდინარეობს შემდეგნაირად:

¹⁴C + O₂ → ¹⁴CO + O

¹⁴CO + OH → ¹⁴CO₂ + H

ამ გზით წარმოქმნილი ნახშირორჟანგი ატმოსფეროში ვრცელდება, იხსნება ოკეანეში და შთაინთქმება მცენარეებს მიერ, ფოტოსინთეზის პროცესის საშუალებით. ცხოველები იკვებებიან ამ მცენარეებით, საბოლოო ჯამში კი ეს იზოტოპი მთელს ბიოსფეროში ვრცელდება. ¹⁴C-ისა და ¹²C-ის თანაფარდობა არის შემდეგნაირად, ყოველი 1,25 წილი ¹⁴C მოდის 10¹² წილ ¹²C -ზე. გარდა ამისა, მთლიანად არსებული ნახშირბადის ატომების დაახლოებით 1% არის სტაბილური იზოტოპი ¹³C.

ნახშირბად 14-ის რადიოაქტიური დაშლა გამოისახება შემდეგნაირად:

¹⁴C→ ¹⁴N + e^- + ν_e

დაშლისას წარმოიქნება ბეტა გამოსხივება, იგივე ჩვეულებრივი ელექტრონი, ელემენტარული ნაწილაკი ელექტრონის ანტინეიტრინო და აზოტ 14-ის სტაბილური იზოტოპი.

მოქმედების პრინციპი

დედამიწის ზედაპირზე მცხოვრები ცოცხალი ორგანიზმის არსებობის პერიოდში, იგი ნახშირბადშემცველი ნაერთების ატმოსფეროსთან მუდმივ ცვლაშია ჩაბმული, ამიტომაც მის ორგანიზმში იმდენივე ნახშირბად 14-ია, რა რაოდენობითაცაა ატმოსფეროში, თუმცა იგივეს ვერ ვიტყვით წყალმცენარეებსა და წყალქვეშ მცხოვრებ არსებებზე, ვინაიდან მათ პირდაპირი კავშირი არ აქვთ ატმოსფეროსთან. მას შემდეგ, რაც ორგანიზმი გარდაიცვლება, ნახშირბადი კვლავ რჩება მასში და მუდმივად განაგრძობს დაშლას, ხოლო ყოველი დაშლის შემდგომ, უფრო მეტად მცირდება ამ რადიოაქტიური ნახშირბადის წილი ნახშირბად 12-თან შედარებით. პრინციპი იმაში მდგომარეობს, რომ, რაც უფრო დიდი დრო არის გასული გარდაცვალებიდან, ორგანიზმში მით მეტი ნახშირბად 14-ია დაშლილი, ანუ მისი რაოდენობა დროსთან ერთად მცირდება.

განტოლება, რომელიც გამოსახავს რადიოაქტიური იზოტოპის დაშლას:

$N=N_{0}\,e^{-\lambda t}\,$

სადაც N₀ არის იზოტოპის ატომების თავდაპირველ რიცხვი, N არის დროის გასვლის შემდგომ დარჩენილი ატომების რიცხვი, ხოლო t არის დრო. λ წარმოადგენს მუდმივ სიდიდეს, რომელიც დამოკიდებულია კონკრეტულ იზოტოპზე.

კვლევის დაწყებისას მიიჩნევენ, რომ ¹⁴C/¹²C თავდაპირველი თანაფარდობა ორგანიზმში იმდენივე იყო, რაც იმდროინდელ ატმოსფეროში. ხოლო, როდესაც გამოითვლება ¹⁴C-ის თავდაპირველი და საბოლოო რაოდენობა, შემდეგ დგინდება რა ასაკის არის ორგანიზმი. პროცესი მთლიანად დამოკიდებილია ნახშირბად 14-ის ნახევარდაშლის პერიოდზე. ამჟამად მიჩნეულია, რომ მისი ნახევარდაშლის პერიოდი დაახლოებით 5 730 ± 40 წელია. ეს ნიშნავს, რომ 5 730 წლის შემდეგ, დარჩება საწყისი ატომების მხოლოდ ნახევარი, მეოთხედი დარჩება 11 460 წლის შემდეგ, ხოლო 17 190 წლის შემდეგ მერვედი და ასე შემდეგ.

ზემოხსენებული გამოთვლები ითვალისწინებს რამდენიმე ვარაუდს, მაგალითად ატმოსფეროში ¹⁴C- ის დონე დროთა განმავლობაში მუდმივად დარჩა და თითქოს არც შეცვლილა. სინამდვილეში, ატმოსფეროში ¹⁴C- ის დონე მნიშვნელოვნად იცვლება სხვადასხვა პერიოდებში, ამიტომაც საჭიროა მონაცემების მუდმივი განახლება. არსებობს კალენდარი, სადაც მოცემულია ¹⁴C- ის დონის ცვალებადობა პერიოდების განმავლობაში.

ლიტერატურა

• Aitken, M.J. (1990). Science-based Dating in Archaeology. London: Longman. ISBN 978-0-582-49309-4. 
• Aitken, Martin J. (2003). „Radiocarbon Dating“, Archaeological Method and Theory. New York: Garland Publishing, გვ. 505–508. 
• Bianchi, Thomas S.; Canuel, Elizabeth A. (2011). Chemical Markers in Aquatic Ecosystems. Princeton: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-13414-7. 
• Bousman, C. Britt; Vierra, Bradley J. (2012) „Chronology, Environmental Setting, and Views of the Terminal Pleistocene and Early Holocene Cultural Transitions in North America“, From the Pleistocene to the Holocene: Human Organization and Cultural Transformations in Prehistoric North America. College Station, Texas: Texas A&M University Press, გვ. 1–15. ISBN 978-1-60344-760-7. 
• Bowman, Sheridan [1990] (1995). Radiocarbon Dating. London: British Museum Press. ISBN 978-0-7141-2047-8. 
• Cronin, Thomas M. (2010). Paleoclimates: Understanding Climate Change Past and Present. New York: Columbia University Press. ISBN 978-0-231-14494-0. 
• Dass, Chhabil (2007). Fundamentals of Contemporary Mass Spectrometry. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-68229-5. 
• Eriksson Stenström, Kristina; Skog, Göran; Georgiadou, Elisavet; Genberg, Johan; Johansson, Anette (2011). A guide to radiocarbon units and calculations. Lund: Lund University. 
• Ferronsky, V.I.; Polyakov, V.A. (2012). Isotopes of the Earth's Hydrosphere. New York: Springer. ISBN 978-94-007-2855-4. 
• Killick, David (2014) „Using evidence from natural sciences in archaeology“, Material Evidence: Learning From Archaeological Practice. Abingdon, UK: Routledge, გვ. 159–172. ISBN 978-0-415-83745-3. 
• L'Annunziata, Michael F. (2007). Radioactivity: Introduction and History. Amsterdam: Elsevier. ISBN 978-0-444-52715-8. 
• L'Annunziata, Michael F.; Kessler, Michael J. (2012) „Liquid scintillation analysis: principles and practice“, Handbook of Radioactivity Analysis, 3rd, Oxford: Academic Press, გვ. 423–573. DOI:10.1016/b978-012436603-9/50010-7. ISBN 978-0-12-384873-4. 
• Libby, Willard F. [1952] (1965). Radiocarbon Dating, 2nd (1955), Chicago: Phoenix. 
• Macdougall, Doug (2008). Nature's Clocks: How Scientists Measure the Age of Almost Everything. Berkeley, California: University of California Press. ISBN 978-0-520-24975-2. 
• Malainey, Mary E. (2010). A Consumer's Guide to Archaeological Science. New York: Springer. ISBN 978-1-4419-5704-7. 
• Marra, John (2019). Hot Carbon: Carbon-14 and a Revolution in Science. Columbia University Press. ISBN 9780231186704. 
• Maslin, Mark A.; Swann, George E.A. (2006) „Isotopes in marine sediments“, Isotopes in Palaeoenvironmental Research. Springer, გვ. 227–290. DOI:10.1007/1-4020-2504-1_06. ISBN 978-1-4020-2503-7. 
• Mook, W.G.; Waterbolk, H.T. (1985). Handbooks for Archaeologists: No. 3: Radiocarbon Dating. Strasbourg: European Science Foundation. ISBN 978-2-903148-44-7. 
• Post, Wilfred M. (2001). „Carbon cycle“, Encyclopedia of Global Change: Environmental Change and Human Society, Volume 1. Oxford: Oxford University Press, გვ. 127–130. ISBN 978-0-19-514518-2. 
• Renfrew, Colin (2014). „Foreword“, Radiocarbon Dating. Walnut Creek, California: Left Coast Press, გვ. 12–14. ISBN 978-1-59874-590-0. 
• Schoeninger, Margaret J. (2010). „Diet reconstruction and ecology using stable isotope ratios“, A Companion to Biological Anthropology. Oxford: Blackwell, გვ. 445–464. DOI:10.1002/9781444320039.ch25. ISBN 978-1-4051-8900-2. 
• Šilar, Jan (2004) „Application of environmental radionuclides in radiochronology: Radiocarbon“, Man-made and Natural Radioactivity in Environmental Pollution and Radiochronology. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, გვ. 150–179. ISBN 978-1-4020-1860-2. 
• Suess, H.E. (1970). „Bristlecone-pine calibration of the radiocarbon time-scale 5200 B.C. to the present“, Radiocarbon Variations and Absolute Chronology. New York: John Wiley & Sons, გვ. 303–311. 
• Taylor, R.E. (1987). Radiocarbon Dating. London: Academic Press. ISBN 978-0-12-433663-6. 
• Taylor, R.E. (1997). „Radiocarbon dating“, Chronometric Dating in Archaeology. New York: Plenum Press, გვ. 65–97. ISBN 978-0-306-45715-9. 
• Taylor, R.E.; Bar-Yosef, Ofer (2014). Radiocarbon Dating, 2nd, Walnut Creek, California: Left Coast Press. ISBN 978-1-59874-590-0. 
• Terasmae, J. (1984). „Radiocarbon dating: some problems and potential developments“, Quaternary Dating Methods. Amsterdam: Elsevier, გვ. 1–15. ISBN 978-0-444-42392-4. 
• Theodórsson, Páll (1996). Measurement of Weak Radioactivity. Singapore: World Scientific Publishing. ISBN 978-9810223151. 
• Trumbore, Susan E. (1996). „Applications of accelerator mass spectrometry to soil science“, Mass Spectrometry of Soils. New York: Marcel Dekker, გვ. 311–340. ISBN 978-0-8247-9699-0. 
• Tsipenyuk, Yuri M. (1997). Nuclear Methods in Science and Technology. Bristol, UK: Institute of Physics Publishing. ISBN 978-0750304221. 
• Tuniz, C.; Zoppi, U.; Barbetti, M. (2004) „Radionuclide dating in archaeology by accelerator mass spectrometry“, Physics Methods in Archaeometry. Amsterdam: IOS Press, გვ. 385–405. ISBN 978-1-58603-424-5. 
• Walker, Mike (2005). Quaternary Dating Methods. Chichester: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-86927-7. ციტირების თარიღი: 2020-05-22. 
• Warneck, Peter (2000). Chemistry of the Natural Atmosphere. London: Academic Press. ISBN 978-0-12-735632-7. 
• Wiebert, Anders (1995). Development of the Lund AMS System and the Evaluation of a New AMS Detection Technique. Lund: University of Lund. 

რესურსები ინტერნეტში

• RADON – database for European 14_C dates დაარქივებული 2015-07-09 საიტზე Wayback Machine.
• Methodische Erläuterung der Uni Kiel
• Chemische Vorbehandlung დაარქივებული 2016-03-04 საიტზე Wayback Machine.
• Übersicht der Kalibrierprogramme დაარქივებული 2016-01-26 საიტზე Wayback Machine. (online und als Download)
• Oxcal-Kalibrationsprogramm დაარქივებული 2009-05-07 საიტზე Wayback Machine.
• CalPal Kalibrationsprogramm დაარქივებული 2012-10-29 საიტზე Wayback Machine.
• Zeitschrift Radiocarbon დაარქივებული 2007-05-31 საიტზე Wayback Machine.
• Liste aller aktiven Radiokarbondatierungslabors დაარქივებული 2016-01-26 საიტზე Wayback Machine.
• RADON – Datenbank für europäische ¹⁴C-Daten დაარქივებული 2015-07-09 საიტზე Wayback Machine.
• Е. Н. Черных, Н. Б. Черных. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
• Методика отбора проб для радиоуглеродного и дендрохронологического анализа. Учебное пособие დაარქივებული 2020-05-19 საიტზე Wayback Machine.
• В.Левченко. Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему.
• В. А. Дергачев. Радиоуглеродный хронометр зеркало.
• Новый метод радиоуглеродного датирования артефактов не уничтожает
• Программа для калибровки радиоуглеродного возраста OxCal დაარქივებული 2011-02-06 საიტზე Wayback Machine.
• Б. Ф. Хасанов. О радиоуглеродном методе датирования