Uhlík je nejrozšířenějším prvkem na Zemi. Vytváří četné vazby, hlavně s vodíkem a kyslíkem. Existují tři známé izotopy uhlíku: 12 C, 13 C a 14 C. Poslední jmenovaný se pro své radioaktivní vlastnosti hovorově nazývá radiokarbon. Jeho nejdůležitější aplikací je určování stáří geologických útvarů a archeologických objektů. Kromě toho se radiokarbon používá ke studiu změn životního prostředí.
Radioaktivita izotopu uhlíku 14C
Izotopy jsou množinou atomů stejného prvku, které mají stejné atomové číslo a různé hmotnostní číslo. Naprostá většina přirozeně se vyskytujících prvků má více než jeden izotop. Jejich vlastnosti mohou být velmi odlišné. Výrazně se liší i procenta jednotlivých izotopů. Elementární uhlík má tři izotopy: 14 C, 13 C a 12 C. Nejběžnější je 12 C – více než 98 %. V přírodě je mnohem méně 13 C, které lze nalézt. Na druhou stranu radioaktivní izotop uhlíku – 14C se na Zemi vyskytuje v nejmenším množství. Jeho zdrojem jsou jaderné reakce tepelných neutronů (kosmického původu) s jádry dusíku. Odehrávají se ve stratosféře. Izotop uhlíku 14 C se samovolně rozpadá. Beta rozpad produkuje neradioaktivní dusík 14N , elektron a antineutrino. V průběhu času se obsah radioaktivních izotopů 14 C v materiálu snižuje. Snižuje se také intenzita záření, které produkuje. Doba, po které se obsah radioaktivního uhlíku sníží na polovinu, je definována jako poločas rozpadu (charakteristika radioaktivních prvků). Pro izotop uhlíku 14C je to 5730 let. Po této době tedy z jedné části radioaktivního 14C zbyde jeho polovina.
Radiokarbonové datování
Velká část izotopu uhlíku 14 C, který je akumulován v atmosféře, se oxiduje na 14 CO. Když tato forma reaguje s hydroxylovým radikálem (OH), dále se oxiduje na 14 CO 2 . Oxid uhličitý 14 CO 2 se zase z atmosféry uvolňuje do biosféry a hydrosféry (v důsledku např. difúze, rozpouštění, fotosyntézy). Radiokarbon 14C je součástí mnoha organických sloučenin. Asimilují se v rostlinách nebo jsou rozpuštěny v oceánské vodě. Koncentrace izotopu 14C v atmosféře je několikanásobně vyšší než například v hlubinách oceánu. Stává se tak přirozeným izotopovým indikátorem. S jeho pomocí je možné sledovat změny, ke kterým dochází v přírodním prostředí. Jednou z nejdůležitějších aplikací izotopu 14 C je takzvané radiokarbonové datování. Oxid uhličitý obsahující radioaktivní 14 C proniká do všeho živého – rostlin i zvířat. Organismy se účastní cyklu výměny radioaktivních uhlíků s biosférou. Pak je obsah izotopu 14C konstantní. To se změní, když organismus zemře. Když organismus zemře, uhlík 14 C již nepřijímá, takže jeho množství neustále klesá. Rozpad tohoto izotopu probíhá rychlostí, kterou určuje zákon jeho rozpadu (rozpad 14 atomů C v čase má podobu exponenciální funkce). Citovaný předpoklad se stal základem pro stanovení stáří archeologických nálezů, kterému se říká radiokarbonové datování (nebo metoda radioaktivního uhlíku). Porovnání poměru obsahu 14 C a 12 C v odumřelé organické hmotě a v atmosféře umožňuje určit radiouhlíkové stáří (dobu od smrti organismu do okamžiku měření). Konvenční radiouhlíkové stáří je určeno porovnáním obsahu obou izotopů uhlíku v testovaném vzorku a v moderním standardu biosféry.
Technika AMS pro měření koncentrace radioaktivního uhlíku, 14 C
Měření obsahu radioaktivního uhlíku 14 C v materiálu je složité a vyžaduje specializované vybavení, což celý proces prodražuje. Technika urychlovače, AMS, využívá skutečnosti, že 14 C je o něco těžší ve srovnání s 12 C (asi 1,17krát). Provádí se také paralelní měření obsahu 13C . V technice AMS se používají hmotnostní spektrometry urychlovače. Po stranách čtverce 5 x 5 m jsou umístěny různé součásti tohoto zařízení, jako je iontový zdroj, urychlovač, analyzační magnet nebo elektrostatický analyzátor. Jsou to zcela jednotné vysokovakuové komory o délce asi 15 metrů. Zařízení lze rozdělit na nízkoenergetickou a vysokoenergetickou část. Pro stanovení poměru jednotlivých izotopů uhlíku měří spektrometr AMS atomy 14 C, 13 C i 12 C, které se uvolňují z katody (vyrobené z testovaného materiálu). Ionty uhlíku (produkované v iontovém zdroji) jsou směrovány do urychlovače. Tam jsou urychleny a narazí na analyzující magnet. Ty jsou pak v driftové komoře, která umožňuje měření elektrického proudu obou typů iontů. Nakonec se ionty izotopu radioaktivního uhlíku 14 C po průchodu elektrostatickým analyzátorem dostanou k detektoru, který umožňuje jejich sčítání. AMS spektrometr je extrémně pokročilé zařízení. Všechny části přístroje a aktuální provozní parametry jsou řízeny speciálním PC softwarem a lze je ovládat z konzole.
