Węgiel, mieszanka trzech izotopów

Wszystkie organizmy żywe wykorzystują do swoich funkcji życiowych związki organiczne, składające się z cząsteczek zawierających atomy węgla. Rośliny zdolne do przeprowadzenia procesu fotosyntezy pobierają swoje zapotrzebowanie na «węgiel» z atmosfery w postaci dwutlenku węgla. Fotosynteza pozwala na przekształcenie dwutlenku węgla w bardziej złożone cząsteczki organiczne. Jedną z nich jest glukoza, wykorzystywana w cyklach metabolicznych jako podstawowa cząsteczka do zapotrzebowań energetycznych oraz syntezy wszystkich substancji organicznych, potrzebnych organizmom żywym. Rośliny wykorzystują celulozę, będącą polimerem glukozy jako strukturę pomocniczą. W złożonych cyklach odżywiania, pozwalających na przeżycie różnych gatunków, rośliny prezentują podstawowy punkt wyjścia, poprzez który zwierzęta pobierają swoje zapotrzebowanie na niezbędne do wielu funkcji życiowych substancje organiczne. W ostateczności zapotrzebowanie na «węgiel», tak w przypadku roślin jak i zwierząt, czerpane jest z obecnego w atmosferze dwutlenku węgla. Węgiel (symbol: C) jest elementem o liczbie atomowej 6, a jego jądro składa się z 6 protonów; występuje w naturze jako mieszanka trzech izotopów Izotopy są to atomy o jądrach posiadających tę samą liczbę protonów i odmienną liczbę neutronów Różnią się więc liczbą masową. Posiadają inne właściwości fizyczne i takie same właściwości chemiczne. Trzy izotopy węgla obecne we wszystkich jego związkach są przedstawiane za pomocą następującej symboliki: ‘zC, ‘3C, 14C. Towarzyszący symbolowi numer wskazuje na poszczególne izotopy poprzez jego liczbę masową. Spośród trzech izotopów węgla dwa są stałe (12C, isC), podczas gdy trzeci (‘4C) jest niestały, a więc radioaktywny Izotop 14C przedstawia radioaktywność typu i3-, jego niestałe jądro przekształca się za pośrednictwem emisji elektronu (cząsteczki f3-) w jądro azotu.

Możliwość radioaktywności pomiaru

Prędkość, z jaką następuje radioaktywne wydarzenie można zmierzyć za pomocą obliczenia emitowanych przez system cząsteczek f3-. Najprostszy sposób zobrazowania tej cechy został wyrażony przez «okres połowicznego rozpadu», który przedstawia czas potrzebny do tego, aby początkowa ilość danego radioaktywnego izotopu uległa równemu podziałowi. W przypadku węgla 14C okres podziału odpowiada około 5730 latom. Operując liczbami, po 5730 latach początkowa obecna w próbce ilość radioaktywnego węgla zostanie zredukowana do połowy, po 11460 latach do 1/4, po 17190 latach do 1/8 itd. Wynika z tego, że powstały przy Wielkim Wybuchu (Big Bang) węgiel 14C aktualnie już nie istnieje. Wyjaśnienie obecności w naszych czasach radioaktywnego węgla jest poniekąd bardzo proste i wiąże się z fenomenem, bezustannie zachodzącym w strefach wyższych ( 10-15 km) ziemskiej atmosfery W strefie tej znajduje się wysoki procent azotu, który jest poddawany działaniu promieniowania kosmicznego. Neutrony należące do tego promieniowania przez zderzenie z cząstkami azotu 14 zapoczątkowują na poziomie nuklearnym reakcję, która poprzez wydalenie protonów prowadzi do powstania izotopu węgla 14C. W wyższych strefach atmosfery zachodzi nieustanne tworzenie się tych atomów Nagromadzenie ich w powietrzu (pod postacią radioaktywnego dwutlenku węgla) jest stałe. Minimalne zmiany wynikają z wahań intensywności kosmicznego promieniowania, którego przebieg powiązany jest ściśle z cyklami słonecznymi. Rozkład poszczególnych izotopów węgla jest następujący: ~zC - 98,89%, ‘3C - 1,11%; suma tych dwóch równa się 100, ponieważ 14C obecny jest w bardzo małej ilości, w postaci jednego atomu ‘4C na tysiąc miliardów ( 10 do potęgi 12 ) nie radioaktywnych atomów

Związek pomiędzy radioaktywnością a wiekiem przedmiotu

Dopóki jakiś organizm roślinny czy zwierzęcy jest żywy, w jego złożony system metaboliczny wchodzą cząsteczki z atomami węgla, składającymi się z mieszanki o zawartości stałe] trzech w/w izotopów Innymi słowy, dopóki organizm żyje, obecność w nim radioaktywnego węgla jest stała i równa ilości tego samego elementu zawartego w znajdującym się w powietrzu dwutlenku węgla.

W chwili śmierci organizmu ustaje metaboliczna wymiana z otoczeniem, a zatem ~4C przestaje być dostarczany Obecny w warstwach organizmu ‘4C rozkłada się zgodnie z prawami radioaktywnego rozkładu. Zawartość ~4C zmniejsza się regularnie wraz z upływem czasu. Można łatwo odgadnąć, że mierząc pozostałości ‘4C w znalezisku historycznym oraz wychodząc z założenia, iż ]ego ilość początkowa była zawsze stała, można obliczyć czas, który upłynął pomiędzy pomiarem a śmiercią organizmu, od którego pochodzi dane znalezisko.