Kol är det vanligaste grundämnet på jorden. Det skapar många bindningar, främst med väte och syre. Det finns tre kända isotoper av kol: 12 C, 13 C och 14 C. Den senare kallas på grund av sina radioaktiva egenskaper i vardagsspråket för radiokol. Dess viktigaste tillämpning är att bestämma åldern på geologiska formationer och arkeologiska föremål. Dessutom används radiokol för att studera miljöförändringar.
Radioaktivitet av kolisotopen 14 C
Isotoper är en uppsättning atomer av samma grundämne som har identiskt atomnummer och olika massnummer. De allra flesta naturligt förekommande grundämnen har mer än en isotop. Deras egenskaper kan vara väldigt olika. Andelen individuella isotoper varierar också avsevärt. Elementärt kol har tre isotoper: 14 C, 13 C och 12 C. Det vanligaste är 12 C – över 98 %. I naturen är det mycket mindre 13 C som kan hittas. Å andra sidan förekommer den radioaktiva isotopen kol – 14 C på jorden i minsta mängd. Dess källa är kärnreaktionerna mellan termiska neutroner (av kosmiskt ursprung) med kvävekärnor. De äger rum i stratosfären. Kolisotopen 14 C sönderfaller spontant. Beta-sönderfall producerar icke-radioaktivt kväve 14N , en elektron och en antineutrino. Med tiden minskar innehållet av radioaktiva 14 C-isotoper i materialet. Intensiteten på den strålning den producerar minskar också. Tiden efter vilken halten radioaktivt kol minskar med hälften definieras som halveringstiden (karakteristisk för radioaktiva grundämnen). För 14 C-isotopen av kol är det 5730 år. Således, efter denna tid, från en del av radioaktiva 14 C återstår hälften av det.
Radiokoldatering
En stor del av kolisotopen 14 C, som ackumuleras i atmosfären, oxideras till 14 CO. När denna form reagerar med hydroxylradikalen (OH) oxideras den ytterligare till 14 CO 2 . Koldioxid, 14 CO 2 släpps i sin tur från atmosfären till biosfären och hydrosfären (som ett resultat av t.ex. diffusion, upplösning, fotosyntes). 14C -radiokol är en komponent i många organiska föreningar. De assimilerar i växter eller löses i havsvatten. Koncentrationen av 14 C-isotopen i atmosfären är flera gånger högre än till exempel i havets djup. Således blir det ett naturligt isotopspårare. Med dess hjälp är det möjligt att spåra förändringar som sker i den naturliga miljön. En av de viktigaste tillämpningarna av 14C -isotopen är så kallad radiokoldatering. Koldioxid som innehåller radioaktivt 14 C tränger in i allt levande – växter och djur. Organismer deltar i radiokolväxlingscykeln med biosfären. Då är halten av 14C -isotopen konstant. Detta förändras när organismen dör. När en organism dör tar den inte längre upp kol 14 C, så dess mängd minskar stadigt. Förfallet av denna isotop sker med en hastighet som bestäms av lagen om dess förfall (nedfallet av 14 C-atomer över tiden tar formen av en exponentiell funktion). Det citerade antagandet blev grunden för att bestämma åldern på arkeologiska fynd, vilket kallas radiokoldatering (eller radioaktivt kolmetoden). Jämförelse av förhållandet mellan halten 14 C och 12 C i det döda organiska materialet och i atmosfären gör det möjligt att bestämma radiokolåldern (tiden från organismens död till mätningsögonblicket). Den konventionella radiokolåldern bestäms genom att jämföra innehållet av båda kolisotoper i testprovet och i den moderna biosfärstandarden.
AMS-teknik för att mäta radiokolkoncentration, 14 C
Mätning av innehållet av radioaktivt kol 14 C i materialet är komplicerat och kräver specialiserad utrustning, vilket gör hela processen dyr. Acceleratortekniken, AMS, utnyttjar det faktum att 14 C är något tyngre jämfört med 12 C (cirka 1,17 gånger). En parallell mätning av 13C -halten görs också. Acceleratormasspektrometrar används i AMS-tekniken. De olika komponenterna i denna apparat, såsom jonkällan, acceleratorn, analysmagneten eller elektrostatisk analysator placeras längs sidorna av en 5 x 5 m kvadrat. De är helt och hållet en enhetlig högvakuumkammare med en längd av cirka 15 meter. Enheten kan delas in i en lågenergi- och en högenergidel. För att bestämma förhållandet mellan enskilda kolisotoper mäter AMS-spektrometern de 14 C, 13 C i 12 C-atomer som frigörs från katoden (gjord av testmaterialet). Koljoner (producerade i jonkällan) leds till acceleratorn. Där accelereras de och träffar den analyserande magneten. De befinner sig då i driftkammaren, vilket möjliggör mätning av den elektriska strömmen för båda typerna av joner. Slutligen når jonerna i den radioaktiva kolisotopen 14 C, efter att ha passerat genom den elektrostatiska analysatorn, detektorn som gör det möjligt att räkna dem. AMS-spektrometern är en extremt avancerad enhet. Alla delar av apparaten och aktuella driftsparametrar styrs av en speciell PC-mjukvara och kan styras från en konsol.
