Radiohiiliajoitus on hiilen isotooppien runsaussuhteiden mittaamiseen perustuva menetelma, jolla pyritaan maarittamaan biologista alkuperaa olevan naytteen tai biologisesta materiaalista valmistetun esineen ika.

Hiilen radioaktiivista isotooppia C-14 ( ¹⁴ C) muodostuu ilmakehan typesta kosmisen sateilyn vaikutuksesta. ^[1] Ilmakehassa radiohiili yhdistyy happeen muodostaen hiilidioksidia, joka fotosynteesin kautta joutuu elioihin ja edelleen ravintoketjujen kautta myos kasveja syoviin elaimiin ja petoelaimiin . Hiili-14 on radioaktiivinen aine ja sen konsentraatio ilmakehassa on suunnilleen vakio. Elaessaan elio saavuttaa metabolisen tasapainon C-14:n suhteen. Elion kuollessa radiohiilen saanti ilmakehasta tyrehtyy. Hiili-14:n puoliintumisaika on noin 5 700 vuotta ^[2] , minka vuoksi elion kuoltua puolet siina olleista radiohiiliatomeista hajoaa noin 5 700 vuodessa, jaljella olevista puolet taas seuraavissa noin 5 700 vuodessa ja niin edelleen. Niinpa mittaamalla naytteessa jaljella olevan radiohiilen osuus kaikesta hiilesta voidaan arvioida esineen ika.

Radiohiiliajoitusta kaytetaan muun muassa paleontologiassa ja arkeologiassa . Kymmenen puoliintumisajan jalkeen, noin 60 000 vuoden kohdalla, radiohiilta on hyvin vahan jaljella, eika sita vanhempia naytteita voida maarittaa talla menetelmalla. ^[3] Vertaamalla ialtaan tunnettuihin esineisiin on todettu, etta radiohiilimaaritys antaa liian nuoria ikia hyvin vanhoille esineille. ^[2] Siksi on kehitetty kalibrointikayria tekemalla hiilimittauksia tunnetun ikaisista lahteista kuten vanhoista puista. Puiden vuosirenkaiden paksuus vaihtelee eri vuosina, mihin perustuvaa vuosirengasanalyysia voidaan kayttaa vertailuun, joten kalibroinnin avulla "radiohiilivuodet" saadaan muutettua todellisiksi aurinkovuosiksi. ^[2] Vanhoissa kirjoissa voidaan viela puhua kalibroimattomista vuosista, nykyisin ajoitukset kalibroidaan lahes aina. ^{[4] [5]}

Radiohiiliajoitusta kutsutaan myos nimilla radiohiilimenetelma, hiili-14-menetelma seka C-14-menetelma. Ennen radiohiilen maara mitattiin sateilymittarilla , nykyaan massaspektrometrilla niin etta saadaan tarkempi niin sanottu AMS-radiohiiliajoitus .

Radiohiilimenetelman keksi Chicagon yliopiston professori Willard Libby tyoryhmineen 1947?1949. Libby sai keksinnostaan kemian Nobelin palkinnon. ^[6]

Suomessa radiohiilinaytteiden maaritysta AMS-menetelmalla tehdaan Helsingin yliopiston ajoitus­laboratoriossa. ^[7]

Radiohiiliajoituksen perusteet [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Radiohiili eli hiili-14 on hiilen radioaktiivinen isotooppi , jonka puoliintumisaika on 5 730 vuotta ^[8] . Hiili-14:aa kulkeutuu ilmakehasta jatkuvasti hiilipitoisten elavien olioiden, kuten kasvien, elimistoon. Hiili-14 hajoaa betasateilyna elektroneiksi ja neutriinoiksi .

Radiohiiliajoitus sopii kuolleiden, alkuaan eloperaisten aineiden ajoitukseen, esimerkkeina puu , hiiltyneet ainekset, luu , elainten kuoret ja kollageeni ^[9] seka 1990-luvulta alkaen AMS-ajoituksella keramiikka , jossa on pienia maaria hiilipitoista kuonaa. Keramiikan ajoitus on tarkempaa kuin monien muiden naytteiden, koska keraaminen aines estaa radiohiilen mahdollisen liukenemisen pois tai uuden saapumisen siihen. Radiohiilen maaran muutoksethan saattaisivat sotkea ajoituksen.

Radiohiilen synty ja kulkeutuminen elioihin [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Radiohiilta syntyy eniten 9?15 kilometrin korkeudessa kosmisen neutronisateilyn osuessa typpiatomien ytimiin . ^[9] Typpihan on ilman yleisin kaasu. Reaktio tapahtuu talloin seuraavasti:

${\displaystyle n+\mathrm {^{14}_{7}N} \rightarrow \mathrm {^{14}_{6}C} +p.}$

Syntynyt hiiliatomi liittyy happimolekyyliin muodostaen hiilidioksidia CO ₂ . ^[9] Ilmakehan hiilesta on radiohiilta noin biljoonasosa (0,000 000 000 1 %) atomien maarina mitattuna. ^[3] Elamansa aikana elaimet syovat hiili-14:aa sisaltavia kasveja, jotka ottavat sita ilman hiilidioksidista. Koska radioaktiivinen hiili-14 hajoaa vakiovauhdilla ja organismin kuoleman jalkeen uutta hiili-14:aa ei kerry, biologisesta materiaalista valmistetun esineen ika voidaan arvioida jaljella olevan hiili-14:n perusteella.

Radiohiilen hajoaminen ja ianmaaritys [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Sateillessaan radiohiili hajoaa takaisin typeksi siten, etta 5 730 vuoden kuluttua noin puolet alkuperaisesta hiili-14:sta on jaljella, 11 460 vuoden kuluttua neljasosa jne. Hajoaminen tapahtuu seuraavan reaktioyhtalon mukaisesti:

${\displaystyle \mathrm {~_{6}^{14}C} \rightarrow \mathrm {~_{7}^{14}N} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}.}$

Jos kappaleessa olevan radiohiiliatomien maara tietylla hetkella on N ₀ , on sen jaljella oleva maara ajan t kuluttua

${\displaystyle N(t)=N_{0}2^{-t/t_{1/2}}=N_{0}e^{\frac {-t\ln 2}{t_{1/2}}}}$,

missa t _½ on radiohiilen puoliintumisaika. Samassa suhteessa pienenee myos naytteen aktiivisuus .

Jos elioissa niiden elinaikana olevan radiohiilen osuus hiilesta on vakio N ₀ ja sen jaljella oleva mitattu maara on N , naytteen ika t voidaan maaritella yhtalolla

${\displaystyle t=t_{1/2}{\frac {\ln({\frac {N_{0}}{N}})}{\ln(2)}}}$.

Radiohiilen maaran mittaaminen [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Pitkaan radiohiili mitattiin sen sateilemasta betasateilysta geigermittarilla , nykyaan esimerkiksi suoraan massaspektrometrin avulla eli AMS-tekniikalla . AMS-ajoitus vaatii vain 0,1 milligrammaa hiilta, mutta perinteinen menetelma noin yhden gramman. Libbyn aikoina tarvittiin jopa 100 grammaa hiilta. Radiohiiliajoituksessa kaytetaan myos parannettuja sateilyn mittaukseen perustuvia menetelmia GPC ja LPC, jotka vaativat noin 100 milligrammaa naytetta. ^[10]

Noin 40 000 vuotta vanhoissa esineissa radiohiilen maara on jo niin alhainen, etta sita on vaikea mitata tai erottaa lahella olevien uudempien materiaalien sisaltaman radiohiilen aiheuttamista hairioista. ^[2]

Historia [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Radiohiiliajoitusta kehitteli Manhattan-atomi­pommi­projektissa mukana ollut amerikkalainen tutkija Willard Libby 1940-luvun lopulla. Hanen kanssaan tyoskenteli kaksi opiskelijaa, James R. Arnold ja Ernest C. Anderson, Chicagon yliopiston metallurgisessa laboratoriossa. Libby sai keksinnoistaan vuonna 1960 kemian Nobelin palkinnon , joka on ainoa arkeologiaan liittyva kemian Nobelin palkinto. ^[11] . 1950-luvulla kehitettiin parannetut menetelmat, jotka perustuivat kaasumaisten ja nesteytettyjen naytteiden analyysiin. Useimmat radiohiiliajoitukset tehdaan nykyaan nailla menetelmilla. ^[3] 1960-luvun lopulla tuloksia alettiin korjata eli kalibroida muiden tarkempien ajoitusmenetelmien kuten vuosirenkaiden ajoituksista laadituilla taulukoilla.

Kehittyneempi AMS-ajoitus keksittiin 1977. Sina vuonna tekivat ensimmaiset ajoitukset massaspektrometrilla Rochesterin/Toronton tutkijaryhma ja General Ionex Corporation ja pian Simon Fraserin ja McMasterin yliopistot. ^[3]

Kalibrointi muuttaa radiohiilivuodet kalenterivuosiksi [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Radiohiili-iat lasketaan vuodesta 1950 lukien, ei mittausvuodesta lukien, jotta valtyttaisiin vaarinkasityksilta.

Radiohiiliajoitus ei suoraan anna esineen ikaa. Yleensa radiohiilivuodet ovat liian nuoria esineen todelliseen ikaan verrattuna. Noin 2 600 vuotta vanhemmat esineet voivat olla ehka 500?1 000 vuotta vanhempia.

Radiohiiliajoitusta verrataan yleensa muun muassa vuosirengasajoituksella saatuun ikaan. ^[4] Muita vertailutietoja saadaan jaatikoista, syvameren kerrostumista ja jarvien ja lampien lustosavikerrostumista . ^[5] Joidenkin pienelioiden vuodenaikainen vaihtelu nakyy naissa kerrostumissa vaikkapa tummina ja vaaleina raitoina. Etelamanterella ja Gron­lannissa on jaatikon uumenissa vanhaa jaata, jonka vuodenaikaiset vaihtelut nakyvat melko syvalle porattaessa. Lopulta hyvin syvalla jaa pakkautuu niin tiiviiksi, etta ne katoavat. Myos koralleissa nakyy vuodenaikaisia vaihteluja. Mitkaan naista eivat anna varmaa vertailutietoa hyvin vanhojen ikien osalta.

Kalibrointikayrassa nakyy tasanne 11 000?10 000 radiohiilivuotta sitten, jolloin nuorempi dryaskausi muutti valtameren kiertoa. Vuosirengassarjat ulottuvat nykyaan Keski-Euroopassa 12 400 vuoden paahan. Radiohiiliajoitusta on laajennettu ulottumaan 45 000 vuoden taakse tutkimalla eraassa Bahama­saarten luolassa olevia tippukivia .

Eri menetelmalla saatavien vertailutietojen pohjalta on kehitelty erilaisia korjaus- ja kalibrointikaavoja ja taulukoita. Tunnettuja kalibrointijarjestelmia ovat OxCal ja CalPal. Tarkka kalibrointi ei ulotu koko radiohiilimenetelman kattaman aika-alueen, 60 000 vuoden, alueelle. Kalibrointi ei aina anna luotettavaa arvoa, koska muun muassa tulivuorenpurkaus voi sotkea ajoitusta.

Radiohiilivuosien merkinta [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Radiohiiliajoitusten merkinta on kirjavaa. Tasmallisinta olisi ilmoittaa, onko radiohiili-ika kalibroitu vai kalibroimaton, ja milla menetelmalla on kalibroitu, jos on kalibroitu. Tasmallisyytta lisaa ianmaarityksen virheraja ja todennakoisyys, esimerkiksi ±100 vuotta todennakoisyydella 68 %. Kalibroidun ian toinen nimitys on "kalenterivuodet", vaikka ne eivat taysin todellisia vuosia useimmiten vastaakaan. 1960-luvulla vuosirengaskalibroinnin epatarkkuus oli pahimmillaan jopa 700 vuotta.

Usein ilmaistaan vain BP tai BP cal. kalibroimattomille ja kalenterivuosille.

Niinpa radiohiilivuodet eli kalibroimattomat hiili-14-vuodet merkitaan englanninkielisissa lahteissa ja suomalaisissakin teksteissa lyhenteella BP . BP tarkoittaa englanniksi B efore P resent , vuotta ennen nykyhetkea. Merkitaan myos "radiohiilivuotta sitten" rcbp , rcybp tai rcya . Joskus kaytetaan myos merkintoja C-14 BP uncal , 14C yr BP ). Kalibroinneista saatavat kalenterivuodet tai kalibroidut radiohiilivuodet ovat englanniksi esimerkiksi C-14 BP cal. tai cal. BP .

Jos merkitaan kalibroidut vuodet lantisen ajanlaskun mukaan, kaytetaan monesti merkintaa calBC tai BCE ^[12] , mika saadaan vahentamalla esineen iasta 1 950 tai 2 000 vuotta ^[12] Toinen monien arkeologien kayttama tapa on kayttaa kalibroitujen, ajanlaskumme alkua edeltavien vuosilukujen yhteydessa lyhennetta eKr. tai eaa. ( engl. BC ), kalibroimattomien ajoitusten yhteydessa vastaavaa lyhennetta pienilla kirjaimilla, siis ekr. ( engl. bc ). ^[2] Kaytanto on kuitenkin vakiintumaton, silla monissa kirjoissa ja artikkeleissa lyhennetta BC kaytetaan myos kalibroimattomista vuosiluvuista. ^[2]

Radiohiiliajoituksessa oleva epatarkkuus nakyy monesti silla saaduissa tuloksissa. Usein merkitaan vaikkapa 1 000 ± 100 BP eli 1 000 radiohiilivuotta plus miinus 100 vuotta. Tama tarkoittaa yleisimmin, etta esineen ika poikkeaa 68 % eli normaalijakaumassa 1 % σ verran.

Niinpa esimerkiksi 5 000 BP on Groningenin yliopiston Cal25-kalibroinnin mukaan ^{[12] [13]} 5 000 ± 100 BP, toisin sanoen 5 920?3 700 kalenterivuotta vanha, keskimaarin 5 800 calBP. Talloin nayte on ajanlaskumme mukaan ajalta 3 920?3 700 eaa. ^[12] .

Radiohiilimenetelman rajoitukset [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Radiohiilimenetelmassa on monia epatarkkuutta lisaavia ja virheellisia ajoituksia luovia tekijoita. ^[3]

Puoliintumisaika [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Libbyn ryhma oli ensimmainen, joka maaritti radiohiilen puoliintumis­ajan mittauksistaan. Koska aika on pitka ja tutkimuksia on tehty vasta lyhyen aikaa, siihen liittyi epavarmuutta. Vertailu muinaisen Egyptin naytteisiin osoitti kuitenkin etta virhe oli varsin pieni. Libbyn kayttamaa arvoa 5 568 ± 30, niin sanottua Libbyn puoliintumisaikaa kaytettiin pitkaan. Myohemmin huomattiin sen olevan 3 % liian pieni, ja nykyisin kaytetaan uutta arviota 5 730 ± 40 vuotta, jota kutsutaan Cambridgen puoliintumisajaksi. ^[3]

Radiohiilen maaran vaihtelu ilmakehassa [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Ilmakehassa olevan radiohiilen suhteellinen osuus vaihtelee. Radioaktiivista hiilta ei synny ilmakehassa vakiovauhdilla, koska kosmisen neutronisateilyn maara vaihtelee. Ydinkokeet lisasivat varsinkin 1950-luvulla ja 1960-luvulla radiohiilen maaraa. Tama vaikeuttaa vain ydinkokeiden jalkeen syntyneiden naytteiden ajoitusta, mutta virhetta on kaytetty luomaan huonoa mainetta kaikille radiohiiliajoituksille. ^[14] Toisaalta fossiilisten polttoaineiden kaytto on vahentanyt radiohiilen suhteellista osuutta ilmakehassa olevasta hiilesta. Niiden kaytostahan ilmakehaan tulee lisaa hiilidioksidia , mutta naiden aineiden suuren ian vuoksi niissa oleva radiohiili on kaytannollisesti katsoen hajonnut loppuun eika sen maara ilmakehassa sen vuoksi lisaanny vastaavassa suhteessa. Nama muuttavat myos ¹³ C isotoopin maaraa, joten epavarmuuden suuruutta voidaan arvioida.

Pohjaveden muutokset [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Esimerkiksi viime jaakauden loppuvaiheen Allerod-kauden nuoremman dryaskauden ajoituksia pidetaan monesti joillain paikoilla liian vanhoina. Muun muassa nuoremman dryaskauden IGAN-708-ajoitus on 13 010 ± 400 vuotta, ^[15] Tama selitetaan runsaasti kuollutta eloperaista ainesta sisaltavan "kovan" karbonaatin esiintymisena pohjavedessa. Tama liuottaa radiohiilta elioiden jaanteista ja nain kasvattaa radiohiili-ikia. ^[16] On myos vaitetty radio­hiili­kellon pysahtyneen nuoremmalla dryaskaudella. Talloin hiilidioksidin osapaineen kasvu olisi pienentanyt radiohiilen kasautumista ja johtanut radiohiilikellon pysahtymiseen tai hidastumiseen. ^[17]

Katso myos [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

• Paleoklimatologia
• Ianmaaritysmenetelma
• BP

Lahteet [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Aiheesta muualla [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

• Calpal ? ohjelma, jolla korjataan radiohiili-ika uncal. BP → cal. BP englanniksi
• OxCal program (Oxford Calibration) ( Arkistoitu ? Internet Archive)
• Radiocarbon ? The main international journal of record for research articles and date lists relevant to 14C
• C14dating.com ? General information on Radiocarbon dating ( Arkistoitu ? Internet Archive)
• Several calibration programs can be found at www.radiocarbon.org ( Arkistoitu ? Internet Archive)
• Fairbanks' Radiocarbon Calibration program (for prior to 12400 BP) ( Arkistoitu ? Internet Archive)
• Further basic information on radiocarbon dating (PDF)