Koolstof is het meest voorkomende element op aarde. Het creëert tal van bindingen, voornamelijk met waterstof en zuurstof. Er zijn drie bekende isotopen van koolstof: 12 C, 13 C en 14 C. De laatste wordt vanwege zijn radioactieve eigenschappen in de volksmond radiokoolstof genoemd. De belangrijkste toepassing is het bepalen van de ouderdom van geologische formaties en archeologische objecten. Bovendien wordt radiokoolstof gebruikt om veranderingen in het milieu te bestuderen.
Radioactiviteit van de koolstofisotoop 14 C
Isotopen zijn een reeks atomen van hetzelfde element met een identiek atoomnummer en een verschillend massagetal. De overgrote meerderheid van natuurlijk voorkomende elementen heeft meer dan één isotoop. Hun eigenschappen kunnen heel verschillend zijn. Ook de percentages individuele isotopen lopen sterk uiteen. Elementaire koolstof heeft drie isotopen: 14 C, 13 C en 12 C. De meest voorkomende is 12 C – meer dan 98%. In de natuur is er veel minder 13 C te vinden. Aan de andere kant komt de radioactieve isotoop van koolstof – 14 C in de kleinste hoeveelheid op aarde voor. De bron zijn de kernreacties van thermische neutronen (van kosmische oorsprong) met stikstofkernen. Ze vinden plaats in de stratosfeer. De koolstofisotoop 14 C vervalt spontaan. Beta-verval produceert niet-radioactieve stikstof 14 N , een elektron en een antineutrino. Na verloop van tijd neemt het gehalte aan radioactieve 14 C-isotopen in het materiaal af. De intensiteit van de straling die het produceert, neemt ook af. De tijd waarna het gehalte aan radioactieve koolstof met de helft afneemt, wordt gedefinieerd als de halfwaardetijd (kenmerk van radioactieve elementen). Voor de 14 C isotoop van koolstof is dat 5730 jaar. Dus na deze tijd blijft van één portie radioactief 14 C de helft over.
Koolstofdatering
Een groot deel van de koolstofisotoop 14 C, die zich ophoopt in de atmosfeer, wordt geoxideerd tot 14 CO. Wanneer deze vorm reageert met het hydroxylradicaal (OH), wordt het verder geoxideerd tot 14 CO 2 . Koolstofdioxide, 14 CO 2 , komt op zijn beurt uit de atmosfeer vrij in de biosfeer en hydrosfeer (door bijvoorbeeld diffusie, oplossen, fotosynthese). 14 C radiokoolstof is een bestanddeel van veel organische verbindingen. Ze assimileren in planten of worden opgelost in oceaanwater. De concentratie van de 14 C isotoop in de atmosfeer is vele malen hoger dan bijvoorbeeld in de diepten van de oceaan. Zo wordt het een natuurlijke isotooptracer. Met zijn hulp is het mogelijk om veranderingen in de natuurlijke omgeving te volgen. Een van de belangrijkste toepassingen van de 14 C isotoop is de zogenaamde radiokoolstofdatering. Kooldioxide dat radioactief 14 C bevat, dringt door in alle levende wezens – planten en dieren. Organismen nemen deel aan de radiokoolstofuitwisselingscyclus met de biosfeer. Dan is het gehalte van de 14 C isotoop constant. Dit verandert wanneer het organisme sterft. Wanneer een organisme sterft, neemt het geen koolstof 14 C meer op, dus de hoeveelheid neemt gestaag af. Het verval van deze isotoop vindt plaats met een snelheid die wordt bepaald door de wet van zijn verval (het verval van 14 C-atomen in de tijd neemt de vorm aan van een exponentiële functie). De aangehaalde aanname werd de basis voor het bepalen van de ouderdom van archeologische vondsten, wat radiokoolstofdatering (of de radioactieve koolstofmethode) wordt genoemd. Door de verhouding van het gehalte aan 14 C en 12 C in de dode organische stof en in de atmosfeer te vergelijken, kan de radiokoolstofleeftijd worden bepaald (de tijd vanaf de dood van het organisme tot het moment van meting). De conventionele radiokoolstofleeftijd wordt bepaald door het gehalte van beide koolstofisotopen in het testmonster en in de moderne biosfeerstandaard te vergelijken.
AMS-techniek voor het meten van radiokoolstofconcentratie, 14 C
Het meten van het gehalte aan radioactieve koolstof 14 C in het materiaal is gecompliceerd en vereist gespecialiseerde apparatuur, wat het hele proces duur maakt. De versnellertechniek, AMS, maakt gebruik van het feit dat 14 C iets zwaarder is dan 12 C (ongeveer 1,17 keer). Er wordt ook een parallelle meting van het 13C -gehalte gedaan. In de AMS-techniek worden accelerator-massaspectrometers gebruikt. De verschillende onderdelen van dit apparaat, zoals de ionenbron, versneller, analysemagneet of elektrostatische analysator, worden langs de zijkanten van een vierkant van 5 x 5 m geplaatst. Ze zijn geheel een uniforme hoogvacuümkamer met een lengte van ongeveer 15 meter. Het apparaat kan worden onderverdeeld in een energiezuinig en een energiezuinig deel. Om de verhouding van individuele koolstofisotopen te bepalen, meet de AMS-spectrometer de 14 C, 13 C i 12 C-atomen die vrijkomen uit de kathode (gemaakt van het testmateriaal). Koolstofionen (geproduceerd in de ionenbron) worden naar de versneller geleid. Daar worden ze versneld en raken ze de analysemagneet. Ze bevinden zich dan in de driftkamer, waarmee de elektrische stroom van beide soorten ionen kan worden gemeten. Ten slotte bereiken de ionen van de radioactieve koolstofisotoop 14 C, nadat ze door de elektrostatische analysator zijn gegaan, de detector die het mogelijk maakt ze te tellen. De AMS-spectrometer is een uiterst geavanceerd apparaat. Alle onderdelen van het apparaat en de huidige bedrijfsparameters worden bestuurd door speciale pc-software en kunnen worden bestuurd vanaf een console.
