Uhlík je najbežnejším prvkom na Zemi. Vytvára početné väzby, najmä s vodíkom a kyslíkom. Známe sú tri izotopy uhlíka: 12 C, 13 C a 14 C. Posledný menovaný sa pre svoje rádioaktívne vlastnosti hovorovo nazýva rádiouhlík. Jeho najdôležitejšou aplikáciou je určovanie veku geologických útvarov a archeologických objektov. Okrem toho sa rádiokarbón používa na štúdium environmentálnych zmien.
Rádioaktivita izotopu uhlíka 14C
Izotopy sú množinou atómov toho istého prvku, ktoré majú rovnaké atómové číslo a rôzne hmotnostné číslo. Prevažná väčšina prirodzene sa vyskytujúcich prvkov má viac ako jeden izotop. Ich vlastnosti môžu byť veľmi odlišné. Výrazne sa líšia aj percentá jednotlivých izotopov. Elementárny uhlík má tri izotopy: 14 C, 13 C a 12 C. Najbežnejší je 12 C – viac ako 98 %. V prírode je oveľa menej 13 C, ktoré možno nájsť. Na druhej strane rádioaktívny izotop uhlíka – 14C sa na Zemi vyskytuje v najmenšom množstve. Jeho zdrojom sú jadrové reakcie tepelných neutrónov (kozmického pôvodu) s jadrami dusíka. Odohrávajú sa v stratosfére. Izotop uhlíka 14C sa spontánne rozpadá. Beta rozpad produkuje nerádioaktívny dusík 14N , elektrón a antineutríno. V priebehu času sa obsah rádioaktívnych izotopov 14 C v materiáli znižuje. Znižuje sa aj intenzita žiarenia, ktoré produkuje. Čas, po ktorom sa obsah rádioaktívneho uhlíka zníži na polovicu, je definovaný ako polčas rozpadu (charakteristika rádioaktívnych prvkov). Pre izotop uhlíka 14C je to 5730 rokov. Po tomto čase teda z jednej časti rádioaktívneho 14C zostane polovica.
Rádiokarbónové datovanie
Veľká časť izotopu uhlíka 14C , ktorý je nahromadený v atmosfére, sa oxiduje na 14CO . Keď táto forma reaguje s hydroxylovým radikálom (OH), ďalej sa oxiduje na 14CO 2 . Oxid uhličitý 14 CO 2 sa zasa uvoľňuje z atmosféry do biosféry a hydrosféry (ako výsledok napr. difúzie, rozpúšťania, fotosyntézy). Rádiokarbón 14C je súčasťou mnohých organických zlúčenín. Asimilujú sa v rastlinách alebo sa rozpúšťajú v oceánskej vode. Koncentrácia izotopu 14 C v atmosfére je niekoľkonásobne vyššia ako napríklad v hlbinách oceánu. Tak sa stáva prirodzeným izotopovým značkovačom. S jeho pomocou je možné sledovať zmeny, ku ktorým dochádza v prírodnom prostredí. Jednou z najdôležitejších aplikácií izotopu 14C je takzvané rádiokarbónové datovanie. Oxid uhličitý obsahujúci rádioaktívny 14 C preniká do všetkého živého – rastlín a živočíchov. Organizmy sa podieľajú na cykle výmeny rádioaktívneho uhlíka s biosférou. Potom je obsah izotopu 14C konštantný. To sa zmení, keď organizmus zomrie. Keď organizmus zomrie, už neprijíma uhlík 14 C, takže jeho množstvo neustále klesá. Rozpad tohto izotopu prebieha rýchlosťou určenou zákonom jeho rozpadu (rozpad 14 atómov C v čase má podobu exponenciálnej funkcie). Citovaný predpoklad sa stal základom pre určenie veku archeologických nálezov, čo sa nazýva rádiouhlíkové datovanie (alebo metóda rádioaktívneho uhlíka). Porovnanie pomeru obsahu 14 C a 12 C v odumretej organickej hmote a v atmosfére umožňuje určiť vek rádioaktívneho uhlíka (čas od smrti organizmu do okamihu merania). Konvenčný rádiouhlíkový vek sa určuje porovnaním obsahu oboch izotopov uhlíka v testovanej vzorke a v modernom štandarde biosféry.
Technika AMS na meranie koncentrácie rádioaktívneho uhlíka, 14 C
Meranie obsahu rádioaktívneho uhlíka 14 C v materiáli je komplikované a vyžaduje si špecializované vybavenie, čo celý proces predražuje. Technika urýchľovača, AMS, využíva skutočnosť, že 14 C je o niečo ťažší v porovnaní s 12 C (asi 1,17-krát). Uskutočňuje sa aj paralelné meranie obsahu 13C . V technike AMS sa používajú hmotnostné spektrometre s urýchľovačom. Rôzne komponenty tohto prístroja, ako je zdroj iónov, urýchľovač, analyzačný magnet alebo elektrostatický analyzátor, sú umiestnené po stranách štvorca 5 x 5 m. Sú to úplne jednotné vysokovákuové komory s dĺžkou asi 15 metrov. Zariadenie je možné rozdeliť na nízkoenergetickú a vysokoenergetickú časť. Na určenie pomeru jednotlivých izotopov uhlíka AMS spektrometer meria atómy 14 C, 13 C i 12 C, ktoré sa uvoľňujú z katódy (vyrobenej z testovaného materiálu). Ióny uhlíka (produkované v iónovom zdroji) sú nasmerované do urýchľovača. Tam sú zrýchlené a narážajú na analyzujúci magnet. Potom sú v driftovej komore, ktorá umožňuje meranie elektrického prúdu oboch typov iónov. Nakoniec sa ióny rádioaktívneho izotopu uhlíka 14C po prechode elektrostatickým analyzátorom dostanú k detektoru, ktorý ich umožňuje spočítať. AMS spektrometer je mimoriadne pokročilé zariadenie. Všetky časti prístroja a aktuálne prevádzkové parametre sú riadené špeciálnym PC softvérom a je možné ich ovládať z konzoly.
