Ako rádioaktivitou meriame čas?

Predpovedať, kedy sa rozpadne jedno rádioaktívne jadro je nemožné, proces je náhodný. Predpovedať, za aký čas sa rozpadne časť z veľkého množstva jadier je ľahké, a takáto predpoveď je veľmi presná. To nám umožňuje použiť rádioaktívny rozpad na meranie času. 

Asi najznámejšie je tzv. rádiouhlíkové datovanie. Jadro uhlíka bežne obsahuje 6 protónov a 6 neutrónov – takýto uhlík sa nazýva C12, kde 12 je súčet počtu protónov a neutrónov. Okrem C12 sa v prírode vyskytuje aj izotop uhlíka s jedným neutrónom navyše, C13, ktorý je stabilný, a rádioaktívny izotop s dvoma neutrónmi navyše, C14 alebo rádiouhlík. 

(Typická vzorka uhlíka obsahuje približne 98,9% C12 a približne 1,1% C13. Niekde v tých “približne” je skryté stopové množstvo C14.)

Rádiouhlík vzniká vo vrchných vrstvách atmosféry z dusíka po bombardovaní neutrónmi z kozmického žiarenia. Tento uhlík sa potom zlučuje s kyslíkom a vo forme oxidu uhličitého sa premiešava v atmosfére. Oxid uhličitý je absorbovaný rastlinami, ktoré sú následne konzumované živočíchmi, ktoré sú konzumované ďalšími živočíchmi… a tiež je vydychovaný naspäť do atmosféry. 

Uhlík C14 je rádioaktívny, rozpadá sas polčasom 5730 rokov (beta mínus rozpadom na dusík). Vďaka jeho neustálemu vzniku, rozpadu a kolobehu, je pomer C14 ku C12 v živých organizmoch konštantný.

Ak však organizmus zomrie, vypadne z uhlíkového kolobehu, neprijíma nový rádiouhlík a ten existujúci sa rozpadá. Tým sa pomer C14/C12 postupne znižuje a odpočítava roky od smrti. Zmeraním tohto pomeru vieme zistiť, kedy organizmus vypadol z kolobehu.

Rádiouhlíkové datovanie vymyslel Willard Libby v roku 1949 a v roku 1960 zaň dostal Nobelovu cenu za chémiu. Pretože z organických materiálov ako drevo, kosti, rohy, kože… si ľudia zvykli vyrábať predmety, sa rádiouhlíkové datovanie stalo neoceniteľným nástrojom pre archeológov.

(Treba ešte dodať, že vyššie popísaný je len základný princíp rádiouhlíkového datovania a skutočné použitie je zložitejšie. Prírodné procesy ako napríklad zmeny slnečnej aktivity, sopečné erupcie uvoľňujúce do atmosféry nový uhlík, umelé procesy ako napríklad testy jadrových bômb alebo spaľovanie fosílnych palív a vypúšťanie uhlíka, spôsobujú odchýlky v pomere C14/C12, ktoré treba v praxi zohľadniť. Takisto, malé množstvá rádiouhlíka kladú vysoké nároky na presnosť meraní.)

Podľa popísaného mechanizmu je nám jasné, že rádiouhlíkové datovanie sa dá použiť iba na zistenie veku materiálov a predmetov, ktoré boli kedysi súčasťou živých organizmov. Navyše, kvôli krátkemu počasu rozpadu a nízkemu obsahu rádiouhlíka je metóda obmedzená na vzorky mladšie ako 60 000 rokov, pretože v starších zostalo už príliš málo rádioaktívného uhlíka na to, aby bolo takéto meranie presné.

Vek anorganických a starších vzoriek je však možné merať cez rozpady iných prvkov. Využívajú sa na to tzv. rozpadové rady, teda postupnosti prvkov, ktoré vznikajú jeden z druhého rádioaktívnym rozpadom, až sa proces zastaví na stabilnom prvku. Príkladom je uránový rad začínajúci uránom a končiaci stabilným izotopom olova, obsahujúci 19 izotopov 11 prvkov a niekoľko vetvení.

Pomery obsahov izotopov závisia od času a ich zmeraním môžeme zistiť, kedy sa daná hornina sformovala. V tomto pomáha aj jav, kedy sa do minerálu bežne neobsahujúceho nejaký prvok tento prvok dostane tak, že v ňom vznikne premenou iného prvku. Napríklad minerál zirkón zvykne viazať urán ale nie olovo, teda všetko prítomné olovo muselo vzniknúť premenou uránu.

Pomocou rozpadových radov sa dá merať čas na geologických škálach, čo umožňuje zisťovať vek hornín alebo aj samotnej Zeme.

[Lukáš]