Вилард Френк Либи и радиојаглеродната револуција

Професорот Вилард Либи е избран да биде добитник на Нобеловата награда за неговиот метод за одредување на староста на материјалите од биолошко потекло со употреба на јаглерод-14.

„Ретко кога едно откритие во хемијата имало такво влијание врз размислувањето во толку многу области на човечките напори.
Ретко кога едно откритие предизвикало толку широк јавен интерес“.

Воведувањето на радиојаглеродното датирање како метод за одредување на староста имаше огромно влијание и на археологијата и на геологијата - влијание што често се нарекува „радиојаглеродна револуција“. Пред истражувањето на Либи, истражувачите во овие полиња мораа да се потпрат на методи на датирање кои беа само релативни, како на пример броењето на глинените слоеви на локацијатана која биле пронајдени артефактите, претпоставувајќи дека слоевите на локацијата се поставени хронолошки или со анализа на полен. Релативното датирање едноставно ги поставува настаните во ред без прецизна нумеричка бројка. Спротивно на тоа, радиојаглеродното датирање го обезбеди првиот објективен метод на датирање - способноста да се одредат приближни нумерички датуми на органски остатоци.

Овој метод помогна да се отфрлат неколку досегашни верувања, вклучително и идејата дека цивилизацијата потекнува од Европа и се раширила низ целиот свет. Со датирање вештачки артефакти од Европа, Америка, Азија, Африка и Океанија, археолозите утврдија дека цивилизациите се развиле на многу независни локации низ светот. Бидејќи трошеа помалку време обидувајќи се да ја одредат староста на артефактите, археолозите можеа да поставуваат повеќе пребарувачки прашања за еволуцијата на човековото однесување во праисторијата.

Египтолозите добија важна поддршка во нивните напори да создадат хронологија која датира од околу две илјади години порано од првата кралска династија, која започна околу 3.400 п.н.е. Беше докажано дека последниот голем глацијален период во северните делови на Европа и Северна Америка бил симултан и сè уште имало значително проширување пред околу 11.000 години. Трагите од првите човечки населби во овие региони се датирани пред околу 10.000 години. Во јужниот дел на Франција, пронајдени се остатоци од јаглен од логорските огнови на луѓето кои живеат во пештери, остатоци кои се покажаа дека се стари 15.000 години. Слични откритија беа направени и во Ирак, кои покажуваат дека луѓето живееле таму пред 25.000 години. Ова е само да споменеме неколку од определбите за староста кои фрлаат светлина врз праисторијата на човештвото.

Кога Либи првпат го претставил на јавноста радиојаглеродното датирање, тој понизно проценил дека методот можеби можел да мери старост до 20.000 години. Со последователниот напредок во технологијата за откривање јаглерод-14, методот сега може со сигурност да датира материјали стари дури 50.000 години (сега и до 60 000).

Кој е Вилард Либи?

Вилард Френк Либи (1908 –1980 година) e американски хемичар, познат по неговата улога во развојот на методот за одредување на староста на органската материја со користење на радиоактивен јаглерод, процес кој ја револуционизира археологијата,дендрологијата,океанографијата и палеонтологијата. За неговиот придонес во тимот што го разви овој процес, Либи ја доби Нобеловата награда за хемија во 1960 година.
Дипломирал хемија на Универзитетот во Калифорнија во Беркли во 1931 година, каде што докторирал во 1933 година. Ги проучувал радиоактивните елементи и развил чувствителни Гајгерови бројачи за мерење слаба природна и вештачка радиоактивност. За време на Втората светска војна, тој работел на проектот Менхетен(изработка на првата атомска бомба), развивајќи процес на гасна дифузија за збогатување ураниум.
По војната, Либи прифатил да стане професор на Институтот за нуклеарни студии на Универзитетот во Чикаго, каде што ја развива техниката за датирање органски соединенија користејќи јаглерод-14. Тој, исто така, открил дека тритиумот може на сличен начин да се користи за датирање вода, а со тоа и вино.

Во 1962 година, тој станал директор на Институтот за геофизика и планетарна физика на Универзитетот во Калифорнија, позиција што ја има до 1976 година. Неговото време како директор ја вклучува вселенска програма Аполо и слетувањето на Месечината.

Либи ја започнал првата програма за инженерство за животна средина на универзитетот во 1972 година. Како член на Одборот за воздушни ресурси во Калифорнија, тој работел на развивање и подобрување на стандардите за загадување на воздухот во Калифорнија.Тој воспоставил истражувачка програма за тестирање на хетерогена катализа со идеја за намалување на емисиите од моторните возила преку поцелосно согорување на горивото.

Како да се одреди староста на еден материјал?

Ако се прашувавте како да ја одредите староста на карпите и другите видови материјали од далечното минато, одговорот на вашето прашање е - радиометриско датирање. Тоа е група методи засновани на познатиот радиоактивен полуживот на одредени хемиски елементи.

Еден од овие методи се нарекува радиојаглеродно датирање(техника на датирање со радиоактивен јаглерод) и се однесува на одредување на староста на органската материја врз основа на односот на бројот на атоми на стабилниот јаглероден изотоп C-12 и радиоактивниот изотоп C-14. Кај сите живи суштества, овој сооднос е константен, но по смртта, т.е. со прекин на размената на материјата помеѓу организмот и атмосферата, радиоактивното распаѓање на изотопот C-14 доведува до намалување на неговата количина, преполовувајќи го за период од 5730 години. Значи, врз основа на одредената количина на овој радиоактивен изотоп, можно е прецизно да се одреди колку време поминало од смртта на одреден организам.

Датирање со радиоактивен јаглерод

Една од важните реакции помеѓу атмосферата и космичките зраци е неутронскиот зафат од атмосферскиот азот (изотопот, азот-14) при што се добива радиоактивен изотоп јаглерод-14 и водород. Нестабилните јаглеродни атоми на крајот образуваат ¹⁴CO₂ кој е измешан со обичниот јаглерод диоксид ( ¹²CO₂ ) од воздухот. Односот на јаглерод-14 во јаглеродниот диоксид во атмосферата е многу низок. Во околу еден милион од овие јаглеродни атоми, има само еден кој има релативна атомска маса 14. Но, сепак, овој однос може да се одреди, бидејќи јаглерод-14 е радиоактивен изотоп и се манифестира со неговото зрачење. Тој се претвора во азот со емисија на електрон кој може да се открие со чувствителен апарат. Сепак, распаѓањето е толку бавна процедура што потребни се 5.600 години за да се претворат половина од овие атоми во азот. По уште 5.600 години, останува уште една четвртина, а по подеднакво долг временски период една осмина, итн. Така, се вели дека јаглерод-14 има полуживот од 5.600 години.Ако се претпостави дека интензитетот на космичкото зрачење бил константен во текот на последните неколку десетици илјади години, тогаш просечниот животен век на јаглерод-14 - што е приближно 8.000 години - треба да биде доволно долг за да овозможи формирање на стационарна состојба во концентрацијата на овој изотоп не само во однос на атмосферата, туку и на хидросферата и биосферата. Активниот и неактивен јаглерод диоксид се раствораат во сооднос на содржина во водата на морињата и езерата каде што се претвораат во карбонат и хидрогенкарбонат, а се асимилираат од дрвјата и растенијата, а на крајот и од животните, кои на крајот живеат на растенијата. Односот помеѓу активниот и неактивен јаглерод кај сите живи организми е ист како оној во воздухот.

При распаѓањето на изотопот јаглерод-14, се емитираат β честички (електрони). Брзината на распаѓање (мерена преку бројот на електрони што се емитираат во една секунда) се покорува на кинетиката од прв ред. Вообичаено е при изучување на радиоактивното распаѓање временскиот закон да се запише како:

брзината = kN

каде што k е константа на реакција од прв ред, а N е бројот на присутни ¹⁴C јадра. Полувремето на живот за распаѓањето, t ½, e 5,73×10³ години, така што:

Кој е принципот на методата?

Со внесување на јаглерод диоксид при фотосинтезата на растенијата, изотопите на јаглерод-14 навлегуваат во биосферата. Животните ги јадат растенијата кои преку CO₂ издишуваат јаглерод-14.Јаглерод-14 учествува во многу аспекти од јаглеродниот циклус. Загубата на ¹⁴C од радиоактивното распаѓање постојано се дополнува со нови изотопи од атмосферата. Во овој процес на распаѓање-дополнување, се воспоставува динамичка рамнотежа при што односот на ¹⁴C и ¹²C во живата материја останува константен. Но кога едно растение или животно умира, изотопот јаглерод-14 во него не се надоместува, така што овој однос, со распаѓањето на ¹⁴C, се намалува. Истата оваа промена се јавува кога јаглеродните атоми ќе се заробат во јагленот, нафтата или дрвото сочувани под земјата или во било кој органски материјал кој содржи јаглерод.

Вилард Либи предложил да се процени должината на времето на распаѓање на изотопот јаглерод-14 во определен примерок без негово надоместување:

Каде што N₀ и N_t е број на ¹⁴C јадра присутни во време t = 0 и t = t. Бидејќи брзината на распаѓање е пропорционална на бројот на присутни ¹⁴C јадра, претходната равенка може да се запише како:

Ако го знаеме k и брзините на распаѓање за свеж и за стар примерок, може да го пресметаме t, што, всушност, ја дава староста на стариот примерок. Оваа техника се базира од тоа колку прецизно може да ја измериме брзината на распаѓање. Во свежи примероци, односот ¹⁴C/¹²C e околу 1/10¹², така што опремата што се користи за следење на радиоактивното распаѓање мора да биде многу чувствителна.

Уште потешко е да се постигне прецизност кога се работи со постари примероци бидејќи тие содржат дури уште помалку ¹⁴C јадра. Сепак, датирањето со радиоактивен јаглерод стана екстремно значајна алатка за проценка на староста на археолошките артефакти, слики и други објекти што датираат од пред 50 000 години.

Покровот од Торино

Еден од најважните моменти во користењето на оваа метода беше во 1988 г.,кога Ватикан дозволил да се испита староста на Покровот од Торино, со кој наводно бил покриено мртвото тело на Исус Христос.Три лаборатории во Европа и во САД, пресметале дека покровот датира помеѓу 12 -13 век од новата ера и не би можело да биде погребалното платно на Христос.

Кои се ограничувањата на датирањето со јаглерод-14?

Конвенционалното датирање со радиојаглерод бара примероци од 10 до 100 грама од објектот, во зависност од материјалот за кој станува збор. Поновите форми на датирање може да користат многу помали количини, од 20 до 50 милиграми. Во двата случаи, материјалот се уништува за време на тестот.

Примероците од радиојаглеродот исто така лесно се контаминираат, па за да се обезбедат точни датуми, тие мора да бидат чисти и добро сочувани. Нечистотијата и другите материи мора да се измијат со вода, но често се потребни хемиски третмани и други процедури за чистење. Тоа е затоа што има толку малку атоми за броење; дури и малку дополнителен јаглерод од контаминација значително ќе ги исфрли резултатите. Примерок стар милион години контаминиран со само мала количина јаглерод може да даде неважечка старост од 40.000 години, на пример.