Της Καμέλια Σινταχμέτ
Στα μουσεία, ανάμεσα στις πληροφορίες για κάθε έκθεμα, συνήθως περιλαμβάνεται και η ηλικία του. Πώς, όμως, την υπολογίζουν οι επιστήμονες; Ποιες μεθόδους χρησιμοποιούν, πόσο παλιές είναι και πώς λειτουργούν; Η αποκάλυψη της ηλικίας βιολογικών εκθεμάτων γίνεται με ραδιοχρονολόγηση άνθρακα-14, η οποία προτάθηκε το 1946 και έκτοτε αποτελεί βασική μέθοδο προσδιορισμού της ηλικίας ευρημάτων από οργανική ύλη, με εφαρμογές στην αρχαιολογία, στην παλαιοντολογία, στη γεωφυσική, στη γεωλογία και άλλες επιστήμες.
Κι όλα αυτά χάρη στα ισότοπα - με αυτό το όνομα ορίζουμε τις διάφορες μορφές ατόμου ενός χημικού στοιχείου, οι οποίες έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Συνηθίζουμε να αναφερόμαστε στα ισότοπα με τον μαζικό αριθμό τους, το άθροισμα δηλαδή των πρωτονίων και νετρονίων τους. Ο άνθρακας στη φύση συναντάται σε δύο σταθερά ισότοπα με μαζικούς αριθμούς 12 και 13 κι ένα ραδιενεργό, με μαζικό αριθμό 14.
Τα ραδιενεργά ισότοπα τείνουν να υποστούν διαδοχικές διασπάσεις μέχρι να γίνουν σταθερά άτομα και η χρονική διάρκεια αυτής της πορείας εκφράζεται με τον χρόνο ημιζωής ή υποδιπλασιασμού, δηλαδή το χρονικό διάστημα που απαιτείται ώστε ο αριθμός των ατόμων να μείνει ο μισός του αρχικού.
Η κοσμική ακτινοβολία, δηλαδή ο καταιγισμός από σωματίδια υψηλής ενέργειας από το Διάστημα που δέχεται συνεχώς η Γη, παράγει νετρόνια στην ατμόσφαιρα, τα οποία, αντιδρώντας με το άζωτο-14 δίνουν τον άνθρακα-14. Αυτός, έχοντας τις ίδιες χημικές ιδιότητες με τον άνθρακα-12 που συναντάται στη μεγαλύτερη αναλογία, σχηματίζει μόρια διοξειδίου του άνθρακα-14, απορροφάται από τα φυτά κατά τη φωτοσύνθεση και εισέρχεται στους ζωικούς οργανισμούς που τα καταναλώνουν. Κάθε ζωντανός οργανισμός έχει, λοιπόν, περίπου σταθερή γνωστή αναλογία άνθρακα-14 προς άνθρακα-12, ίση με εκείνη της ατμόσφαιρας.
Ο Αμερικανός χημικός Γουίλαρντ Λίμπι παρατήρησε πως, μετά τον θάνατό τους, τα φυτά και τα ζώα δεν λαμβάνουν πλέον άνθρακα-14 και ο ήδη υπάρχων αρχίζει να διασπάται και να ελαττώνεται, ενώ, αντίθετα, ο άνθρακας-12 διατηρεί την ίδια συγκέντρωση. Για τα παραπάνω, αλλά και για την ανάπτυξη ευαίσθητων αισθητήρων ακτινοβολίας τιμήθηκε με βραβείο Νόμπελ Χημείας το 1960.
Η αναλογία άνθρακα-14 προς άνθρακα-12 χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ηλικίας του δείγματος, έχοντας ως δεδομένο πως ο χρόνος ημιζωής του ραδιενεργού ισοτόπου είναι 5.730 χρόνια. Η μέθοδος εφαρμόζεται σε οστά, τρίχες, δέρμα, ξύλο, πάπυρο, φυτικά υφάσματα και άλλα δείγματα και μας επιτρέπει τη χρονολόγηση ευρημάτων ηλικίας μέχρι περίπου 50.000 ετών, με ακρίβεια συνήθως +/- 50-100 έτη.
Η ραδιοχρονολόγηση, αν και χρησιμοποιείται από αρκετές δεκαετίες, βελτιώνεται συνεχώς. Η δενδροχρονολόγηση, η μελέτη των δακτυλίων στους κορμούς των δέντρων που δίνουν την ηλικία τους συναρτήσει των κλιματικών συνθηκών, χρησιμοποιείται για τον έλεγχο και τη διόρθωση των ραδιοχρονολογήσεων. Πρόσφατες μελέτες, ωστόσο, έχουν δείξει πως συμβαίνουν κατά καιρούς απότομες διακυμάνσεις στη συγκέντρωση άνθρακα-14 στην ατμόσφαιρα από φυσικά και ανθρωπογενή αίτια.
Λαμβάνοντας αυτά τα δεδομένα υπόψη, επιστήμονες ασχολούνται σήμερα με την ανάπτυξη καλύτερων μεθόδων διόρθωσης. Παράλληλα, ερευνητές στην Ιταλία ανέπτυξαν πρόσφατα μια νέα οπτική τεχνική μέτρησης του διοξειδίου του άνθρακα-14, η οποία έχει τις δυνατότητες των σημερινών μεθόδων, αλλά είναι αρκετά οικονομικότερη και ταχύτερη.
Η πειραματική διαδικασία της ραδιοχρονολόγησης με άνθρακα-14
Η ραδιοχρονολόγηση γίνεται με προσδιορισμό της συγκέντρωσης άνθρακα-14, μέσω απλής μέτρησης της ακτινοβολίας βήτα που παράγεται κατά τη ραδιενεργό διάσπασή του, με κατάλληλους ανιχνευτές. Η καθιερωμένη μέθοδος, όμως, είναι η χρήση AMS (Accelerator Mass Spectroscopy), φασματοσκοπία μάζας με επιταχυντή σωματιδίων, η οποία προσδίδει σημαντικά μεγαλύτερη ακρίβεια και επιτρέπει την ανάλυση μικρότερων δειγμάτων.
Η μετρούμενη ποσότητα σ' αυτή την περίπτωση είναι αριθμός ατόμων άνθρακα κι όχι ακτινοβολία. Προηγείται επεξεργασία του ευρήματος, που περιλαμβάνει καθαρισμό, λήψη μικρού δείγματος και φυσική και χημική κατεργασία. Τα αποτελέσματα λαμβάνονται έπειτα από ανάλυση των δεδομένων σε υπολογιστή και διόρθωσή τους, με τη συνολική διαδικασία να διαρκεί συνήθως μερικές εβδομάδες.
Εκτός του άνθρακα-14 χρησιμοποιούνται κι άλλα ραδιενεργά ισότοπα στοιχείων για τη χρονολόγηση δειγμάτων, όχι όμως βιολογικών. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η ραδιομετρική μέθοδος ουρανίου και μολύβδου, η οποία προϋπήρχε της ραδιοχρονολόγησης με άνθρακα-14 και βρίσκει εφαρμογή στη χρονολόγηση πετρωμάτων και ορυκτών, ακόμα και ηλικίας που πλησιάζει τα 4,6 δισεκατομμύρια έτη, όσο εκτιμάται ότι είναι η ηλικία της Γης. Άλλες σύγχρονες μέθοδοι χρονολόγησης είναι οι ραδιομετρίες ρουβιδίου / στροντίου, ουρανίου / θορίου και καλίου / αργού, που χρησιμοποιούνται κυρίως στη Γεωλογία.
* Κάθε ημέρα, οι συνεργάτες του μη κερδοσκοπικού οργανισμού επικοινωνίας επιστημονικών θεμάτων στο ευρύ κοινό SciCo παρουσιάζουν με απλά λόγια ένα θέμα που φέρνει την επιστήμη πιο κοντά μας.
** Το άρθρο δημοσιεύθηκε στην εφημερίδα «Φιλελεύθερος», αρ. φύλλου 13.
