Radiocarbon dating -
Radiocarbon dating

Fra Wikipedia, den frie encyklopædi

Radiocarbon-datering (også kaldet carbon-datering eller carbon-14-datering ) er en metode til at bestemme alderen på en genstand, der indeholder organisk materiale, ved at bruge egenskaberne for radiocarbon , en radioaktiv isotop af carbon .

for sit arbejde i 1960.

i atmosfæren, som nåede et maksimum omkring 1965 på næsten det dobbelte af den mængde, der var til stede i atmosfæren før atomprøvesprængning.

i forskellige regioner.

Baggrund

Historie

, som dengang var i Berkeley, om Korffs forskning og opfattede ideen om, at det kunne være muligt at bruge radiocarbon til datering.

i 1947, hvori forfatterne kommenterede, at deres resultater indebar, at det ville være muligt at datere materialer, der indeholder kulstof af organisk oprindelse.

Libby og James Arnold fortsatte med at teste radiocarbon-dateringsteorien ved at analysere prøver med kendte aldre. For eksempel blev to prøver taget fra gravene af to egyptiske konger, Zoser og Sneferu , uafhængigt dateret til 2625 f.Kr. plus eller minus 75 år, ved radiocarbonmåling dateret til et gennemsnit på 2800 f.Kr. plus eller minus 250 år. Disse resultater blev offentliggjort i Science i december 1949. Inden for 11 år efter deres offentliggørelse var mere end 20 radiocarbondateringslaboratorier blevet oprettet verden over. I 1960 blev Libby tildelt Nobelprisen i kemi for dette arbejde.

Fysiske og kemiske detaljer

er oprettet:

hvor n repræsenterer en neutron og p repræsenterer en proton .

).

.

er:

.

Principper

bliver tilbage.

Ligningen, der styrer henfaldet af en radioaktiv isotop, er:

er 8.267 år, så ligningen ovenfor kan omskrives som:

, prøvens alder, ved hjælp af ligningen ovenfor.

forbliver; en fjerdedel vil være tilbage efter 11.400 år; en ottende efter 17.100 år; og så videre.

-forholdet har ikke ændret sig over tid.

i atmosfæren over tid.

Kulstofudvekslingsbeholder

i ligevægt med atmosfæren.

-forhold lavere end biosfærens.

Dating overvejelser

den indeholder vil ofte give et forkert resultat. Der er flere andre mulige fejlkilder, der skal overvejes. Fejlene er af fire generelle typer:

  • isotopisk fraktionering;
  • forurening.

Atmosfærisk variation

.

-aktivitet, hvis det yderligere kulstof fra fossile brændstoffer blev fordelt i hele kulstofudvekslingsreservoiret, men på grund af den lange forsinkelse i blandingen med det dybe hav, er den faktiske effekt en reduktion på 3 %.

eller "bombekulstof" (som det nogle gange kaldes) trænger ind i resten af ​​reservoiret.

Isotopfraktionering

-forhold i planter, der adskiller sig fra forholdene i atmosfæren. Denne effekt er kendt som isotopfraktionering.

, beregnes som følger:

værdier er negative.

North Ronaldsay får på stranden i North Ronaldsay . Om vinteren spiser disse får tang, som har en højere
δ
13 Cindhold end græs; prøver fra disse får har en
δ
13 Cværdi på omkring −13‰, hvilket er meget højere end for får, der lever af græs.
Materiale Typisk
δ
13 Crækkevidde FBF 0‰ Marine plankton −22‰ til −17‰ C3 planter −30‰ til −22‰ C4 planter −15‰ til −9‰ −8‰ −32‰ til −13‰ i forhold til kosten.

værdi for den prøve direkte end at stole på de offentliggjorte værdier.

-stråling ligner målinger for resten af ​​biosfæren. Korrigering for isotopfraktionering, som det gøres for alle radiocarbondatoer for at tillade sammenligning mellem resultater fra forskellige dele af biosfæren, giver en tilsyneladende alder på omkring 400 år for havoverfladevand.

Reservoir effekter

-forholdet i udvekslingsreservoiret er konstant over hele verden, men det har siden vist sig, at der er flere årsager til variation i forholdet på tværs af reservoiret.

Marine effekt

med overfladevandene, og som følge heraf har vand fra nogle dybe havområder en tilsyneladende radiocarbonalder på flere tusinde år. Upwelling blander dette "gamle" vand med overfladevandet, hvilket giver overfladevandet en tilsyneladende alder på omkring flere hundrede år (efter korrektion for fraktionering). Denne effekt er ikke ensartet – den gennemsnitlige effekt er omkring 400 år, men der er lokale afvigelser på flere hundrede år for områder, der ligger geografisk tæt på hinanden. Disse afvigelser kan tages i betragtning ved kalibrering, og brugere af software såsom CALIB kan som input give den passende korrektion for placeringen af ​​deres prøver. Effekten gælder også for marine organismer som skaller og havpattedyr som hvaler og sæler, som har en radiocarbonalder, der ser ud til at være hundreder af år gamle.

Halvkugle effekt

fjernes hurtigere fra den sydlige atmosfære end i nord. Effekten forstærkes af kraftig opstrømning omkring Antarktis.

Andre effekter

kan give lignende resultater og kan også reducere den tilsyneladende alder, hvis de er af nyere oprindelse end prøven. Effekten varierer meget, og der er ingen generel offset, der kan anvendes; yderligere forskning er normalt nødvendig for at bestemme størrelsen af ​​offset, for eksempel ved at sammenligne radiocarbon-alderen for aflejrede ferskvandsskaller med tilhørende organisk materiale.

fundet at have en tilsyneladende alder, der varierede fra 250 år til 3320 år.

Forurening

, forårsager en fejl i den anden retning uafhængigt af alder - en prøve, der er forurenet med 1 % gammelt kulstof, vil synes at være omkring 80 år ældre, end den i virkeligheden er, uanset prøvens dato.

Prøver

indhold; dette kan betyde omdannelse til gasformig, flydende eller fast form, afhængigt af den måleteknik, der skal anvendes. Før dette kan gøres, skal prøven behandles for at fjerne enhver forurening og eventuelle uønskede bestanddele. Dette omfatter fjernelse af synlige forurenende stoffer, såsom rødder, der kan være trængt ind i prøven siden dens begravelse. Alkali- og syrevaske kan bruges til at fjerne humussyre og karbonatforurening, men man skal passe på for at undgå at fjerne den del af prøven, der indeholder kulstoffet, der skal testes.

Materielle overvejelser

  • Det er almindeligt at reducere en træprøve til kun cellulosekomponenten før testning, men da dette kan reducere prøvens volumen til 20% af dens oprindelige størrelse, udføres der ofte også test af hele træet. Trækul testes ofte, men vil sandsynligvis have behov for behandling for at fjerne forurenende stoffer.
  • Uforbrændt knogle kan testes; det er sædvanligt at datere det ved hjælp af kollagen , den proteinfraktion, der er tilbage efter at have vasket knoglernes strukturelle materiale væk. Hydroxyprolin , en af ​​aminosyrerne i knoglerne, blev engang anset for at være en pålidelig indikator, da det ikke var kendt for at forekomme undtagen i knogler, men det er siden blevet påvist i grundvandet.
  • For brændt knogle afhænger testbarheden af ​​de forhold, hvorunder knoglen blev brændt. Hvis knoglen blev opvarmet under reducerende betingelser , kan den (og tilhørende organisk materiale) være blevet forkullet. I dette tilfælde er prøven ofte brugbar.
  • Skaller fra både marine og landorganismer består næsten udelukkende af calciumcarbonat, enten som aragonit eller som calcit , eller en blanding af de to. Calciumcarbonat er meget modtageligt for opløsning og omkrystallisering; det omkrystalliserede materiale vil indeholde kulstof fra prøvens miljø, som kan være af geologisk oprindelse. Hvis testning af omkrystalliseret skal er uundgåelig, er det nogle gange muligt at identificere det originale skalmateriale fra en sekvens af test. Det er også muligt at teste conchiolin , et organisk protein, der findes i skal, men det udgør kun 1-2% af skalmaterialet.
  • De tre hovedkomponenter i tørv er humussyre , humins og fulvinsyre . Af disse giver huminer den mest pålidelige dato, da de er uopløselige i alkali og mindre tilbøjelige til at indeholde kontaminanter fra prøvens miljø. En særlig vanskelighed ved tørret tørv er fjernelse af rodblade, som sandsynligvis vil være svære at skelne fra prøvematerialet.
  • Jord indeholder organisk materiale, men på grund af sandsynligheden for forurening med humussyre af nyere oprindelse er det meget vanskeligt at få tilfredsstillende radiocarbondateringer. Det er at foretrække at sigte jorden for fragmenter af organisk oprindelse og datere fragmenterne med metoder, der er tolerante over for små prøvestørrelser.
  • Andre materialer, der er blevet dateret med succes, omfatter elfenben, papir, tekstiler, individuelle frø og kerner, halm fra muddersten og forkullede madrester fundet i keramik.

Forberedelse og størrelse

-forhold i gammelt materiale og forlænger den maksimale alder, der kan rapporteres pålideligt.

kan også bruges.

Mængden af ​​materiale, der er nødvendig til testning, afhænger af prøvetypen og den anvendte teknologi. Der er to typer testteknologi: detektorer, der registrerer radioaktivitet, kendt som beta-tællere, og acceleratormassespektrometre. For beta-tællere kræves typisk en prøve, der vejer mindst 10 gram (0,35 ounce). Acceleratormassespektrometri er meget mere følsom, og prøver, der indeholder så lidt som 0,5 milligram kulstof, kan bruges.

Måling og resultater

-forhold kan konverteres til hinanden nøjagtigt. I nogen tid var beta-tællingsmetoder mere nøjagtige end AMS, men AMS er nu mere nøjagtige og er blevet den foretrukne metode til radiocarbonmålinger. Ud over forbedret nøjagtighed har AMS yderligere to væsentlige fordele i forhold til betatælling: den kan udføre nøjagtige test på prøver, der er alt for små til betatælling, og den er meget hurtigere – en nøjagtighed på 1 % kan opnås på få minutter med AMS, hvilket er langt hurtigere, end det ville være muligt med den ældre teknologi.

Beta-tælling

er så svage, at halvdelen stoppes af en 0,01 mm tykkelse af aluminium.

; disse registrerer hændelser uden for tælleren og enhver hændelse, der er optaget samtidigt både i og uden for tælleren, betragtes som en uvedkommende hændelse og ignoreres.

, da de interagerer med et fluorescerende middel tilsat til benzenen. Ligesom gastællere kræver væskescintillationstællere afskærmning og antisammenfaldstællere.

. Derudover måles en prøve med en standardaktivitet for at give en baseline til sammenligning.

Accelerator massespektrometri

Forenklet skematisk layout af et acceleratormassespektrometer brugt til at tælle kulstofisotoper til kulstofdatering
-signal fra procesblindprøven måler mængden af ​​kontaminering, der indføres under forberedelsen af ​​prøven. Disse målinger bruges i den efterfølgende beregning af prøvens alder.

Beregninger

De beregninger, der skal udføres på de udførte målinger, afhænger af den anvendte teknologi, da beta-tællere måler prøvens radioaktivitet, mens AMS bestemmer forholdet mellem de tre forskellige kulstofisotoper i prøven.

For at bestemme alderen på en prøve, hvis aktivitet er blevet målt ved betatælling, skal forholdet mellem dens aktivitet og standardens aktivitet findes. For at bestemme dette måles en blindprøve (af gammelt eller dødt kulstof), og en prøve med kendt aktivitet måles. De ekstra prøver gør det muligt at opdage og korrigere fejl som baggrundsstråling og systematiske fejl i laboratorieopsætningen. Det mest almindelige standardprøvemateriale er oxalsyre, såsom HOxII-standarden, hvoraf 1.000 lb blev fremstillet af National Institute of Standards and Technology (NIST) i 1977 fra fransk roehøst.

-forhold, der ville være blevet målt i 1950, hvis der ikke havde været nogen effekt af fossile brændstoffer.

-værdi på -25‰.

-forholdet er kendt, en "radiocarbon-alder" beregnes ved hjælp af:

Beregningen bruger 8.033 år, middeltiden afledt af Libbys halveringstid på 5.568 år, ikke 8.267 år, middeltiden afledt af den mere nøjagtige moderne værdi på 5.730 år. Libbys værdi for halveringstiden bruges til at opretholde overensstemmelse med tidlige radiocarbon testresultater; Kalibreringskurver inkluderer en korrektion for dette, så nøjagtigheden af ​​de endelige rapporterede kalenderaldre er sikret.

Fejl og pålidelighed

skal måles med samme fejltid på 80 år.

for at være målbare. Ældre datoer er opnået ved at bruge specielle prøveforberedelsesteknikker, store prøver og meget lange måletider. Disse teknikker kan tillade måling af datoer op til 60.000 og i nogle tilfælde op til 75.000 år før nutiden.

Radiocarbon-datoer præsenteres generelt med et interval på én standardafvigelse (normalt repræsenteret med det græske bogstav sigma som 1σ) på hver side af middelværdien. Et datointerval på 1σ repræsenterer dog kun et 68 % konfidensniveau, så den sande alder af det objekt, der måles, kan ligge uden for det angivne datointerval. Dette blev demonstreret i 1970 af et eksperiment drevet af British Museums radiocarbonlaboratorium, hvor der blev taget ugentlige målinger på den samme prøve i seks måneder. Resultaterne varierede meget (dog i overensstemmelse med en normal fordeling af fejl i målingerne) og omfattede flere datointervaller (med 1σ konfidens), som ikke overlappede med hinanden. Målingerne omfattede en med et interval fra omkring 4250 til omkring 4390 år siden, og en anden med et interval fra omkring 4520 til omkring 4690.

Fejl i proceduren kan også føre til fejl i resultaterne. Hvis 1 % af benzenen i en moderne referenceprøve ved et uheld fordamper, vil scintillationstælling give en radiocarbonalder, der er for ung med omkring 80 år.

Kalibrering

Stubben af ​​en meget gammel keglefyr. Træringe fra disse træer (blandt andre) bruges til at bygge kalibreringskurver.
-forholdet havde været konstant historisk. Selvom Libby allerede i 1955 havde påpeget muligheden for, at denne antagelse var forkert, var det først, da der begyndte at akkumulere uoverensstemmelser mellem målte aldre og kendte historiske datoer for artefakter, at det blev klart, at en korrektion ville være nødvendigt at anvende på radiocarbon-aldre. få kalenderdatoer.

For at producere en kurve, der kan bruges til at relatere kalenderår til radiocarbonår, er der behov for en sekvens af sikkert daterede prøver, som kan testes for at bestemme deres radiocarbonalder. Undersøgelsen af ​​træringe førte til den første sådan sekvens: individuelle træstykker viser karakteristiske sekvenser af ringe, der varierer i tykkelse på grund af miljøfaktorer såsom mængden af ​​nedbør i et givet år. Disse faktorer påvirker alle træer i et område, så undersøgelse af træringsekvenser fra gammelt træ tillader identifikation af overlappende sekvenser. På denne måde kan en uafbrudt række af træringe forlænges langt ind i fortiden. Den første sådan offentliggjorte sekvens, baseret på bristlecone fyrretræer ringe, blev skabt af Wesley Ferguson . Hans Suess brugte disse data til at offentliggøre den første kalibreringskurve for radiocarbondatering i 1967. Kurven viste to typer variation fra den rette linje: en langsigtet udsving med en periode på omkring 9.000 år og en kortere varighed, ofte omtalt til som "vrikker", med en periode på årtier. Suess sagde, at han tegnede linjen, der viste vrikkene ved "kosmisk schwung ", hvormed han mente, at variationerne var forårsaget af udenjordiske kræfter. Det var i nogen tid uklart, om vrikkerne var ægte eller ej, men de er nu veletablerede. Disse kortsigtede udsving i kalibreringskurven er nu kendt som de Vries-effekter efter Hessel de Vries .

En kalibreringskurve bruges ved at tage radiocarbondatoen rapporteret af et laboratorium og aflæse på tværs af denne dato på grafens lodrette akse. Punktet, hvor denne vandrette linje skærer kurven, vil give prøvens kalenderalder på den vandrette akse. Dette er det modsatte af den måde, kurven er konstrueret på: et punkt på grafen er afledt af en prøve af kendt alder, såsom en træring; når det testes, giver den resulterende radiocarbonalder et datapunkt for grafen.

Den nordlige halvkugle-kurve fra IntCal20. Fra 2020 er dette den seneste version af standardkalibreringskurven. Den diagonale linje viser, hvor kurven ville ligge, hvis radiocarbonaldre og kalenderaldre var ens.

I løbet af de næste tredive år blev mange kalibreringskurver offentliggjort ved hjælp af en række forskellige metoder og statistiske tilgange. Disse blev afløst af IntCal-serien af ​​kurver, begyndende med IntCal98, offentliggjort i 1998 og opdateret i 2004, 2009, 2013 og 2020. Forbedringerne til disse kurver er baseret på nye data indsamlet fra træringe, varver , koraller , planter makrofossiler , speleothems og foraminiferer . IntCal20-dataene inkluderer separate kurver for den nordlige og sydlige halvkugle, da de adskiller sig systematisk på grund af halvkugleeffekten. Den sydlige kurve (SHCAL20) er baseret på uafhængige data, hvor det er muligt, og udledt fra den nordlige kurve ved at tilføje den gennemsnitlige offset for den sydlige halvkugle, hvor ingen direkte data var tilgængelige. Der er også en separat marinekalibreringskurve, MARINE20. For et sæt prøver, der danner en sekvens med en kendt adskillelse i tid, danner disse prøver en delmængde af kalibreringskurven. Sekvensen kan sammenlignes med kalibreringskurven og den bedste overensstemmelse med den etablerede sekvens. Denne "wiggle-matching"-teknik kan føre til mere præcis datering, end det er muligt med individuelle radiocarbondatoer. Wiggle-matching kan bruges på steder, hvor der er et plateau på kalibreringskurven, og kan derfor give en meget mere nøjagtig dato, end opskæringen eller sandsynlighedsmetoderne er i stand til at producere. Teknikken er ikke begrænset til træringe; for eksempel er en lagdelt tephra -sekvens i New Zealand, der menes at gå forud for menneskelig kolonisering af øerne, blevet dateret til 1314 AD ± 12 år ved wiggle-matching. Vrikkerne betyder også, at aflæsning af en dato fra en kalibreringskurve kan give mere end ét svar: dette sker, når kurven vrikker nok op og ned til, at radiocarbon-alderen opsnapper kurven mere end ét sted, hvilket kan føre til, at et radiocarbon-resultat bliver rapporteret som to separate aldersområder, svarende til de to dele af kurven, som radiocarbonalderen opsnappede.

Bayesianske statistiske teknikker kan anvendes, når der er flere radiocarbondatoer, der skal kalibreres. For eksempel, hvis en række radiocarbondatoer tages fra forskellige niveauer i en stratigrafisk sekvens, kan Bayesiansk analyse bruges til at evaluere datoer, som er outliers og kan beregne forbedrede sandsynlighedsfordelinger, baseret på den forudgående information om, at sekvensen skal bestilles i tide. . Da Bayesiansk analyse blev introduceret, var dens brug begrænset af behovet for at bruge mainframe-computere til at udføre beregningerne, men teknikken er siden blevet implementeret på programmer tilgængelige til personlige computere, såsom OxCal.

Indberetningsdatoer

Adskillige formater til at citere radiocarbon-resultater er blevet brugt siden de første prøver blev dateret. Fra 2019 er det standardformat, der kræves af tidsskriftet Radiocarbon , som følger.

BP", hvor: