Hungary

Bizonyos természetben előforduló radioaktív izotópok és azok leányizotópjai gyakoriságának összehasonlításával és az ismert bomlási sebességek segítségével olyan időskálán lehet mérni, amely a Föld születése előtti időponttól a jelenig terjed. Például a stabil és radioaktív izotópok arányát meteoritokban mérve, információt nyerhetünk ezen meteoritok történetéről és származási helyéről.

A sugárzásmérési (radiometrikus) kormeghatározási technikák közül az elsőt Bertram Boltwood alkalmazta 1907-ben, amikor kőzetek korát az uránium és leánymagjainak felhasználásával állapította meg.

Jelenleg a radiometrikus kormeghatározás nagyon megbízható eljárásnak minősül, amely a kőzetek és egyéb geológiai formációk, beleértve magát a Földet is, korának elsődleges módszere. Ezeket a technikákat ki lehet úgy terjeszteni, hogy képesek legyenek mesterséges anyagok kormeghatározására is. Mivel a radioaktív elemek élettartama nagyon széles skálán változik, az időskálától függően számos módszert alkalmazhatunk. Ezek közül a legismertebbek a szénizotópos, az uránium-ólom és a kálium-argon kormeghatározás.

A szén a szerves vegyületek alapösszetevője, ezért a földi élet alapvető építőköve. A természetes szén két stabil, 12C (98,9%) és 13C (1,1%), illetve egy radioaktív izotóppal, 14C (1,2x10-12%), rendelkezik. Ez utóbbi izotóp felezési ideje 5730 év, és a kozmikus sugárzás hozza létre a Föld légkörében. Később a 14C eloszlik, és 93% az óceánba, 5% a bioszférába és 2% az atmoszférába jut.

A szén mindhárom izotópja minden élő organizmusba bejut és életciklusuk alatt folyamatosan cserélődik. Azonban ha egy élőlény elpusztul, ez a folyamat megáll. Az instabil 14C béta-bomlással (elektronkibocsátással) 14N-é alakul, így a 14C tartalom egyfolytában exponenciálisan csökken. Egy adott pillanatban megmérve a 14C koncentrációját, meg tudjuk határozni, hogy az élőlény mikor fejezte be az életét.

A szénizotópos kormeghatározást Willard Libby fejlesztette ki az 1950-es években, és 1960-ban kémiai Nobel-díjat kapott a módszer régészetben, geológiában, geofizikában és a tudomány más ágaiban történő használatáért.

A képen egy gyorsítóberendezéshez kapcsolt tömegspektrométer látható, amely minták néhány milligrammnyi mennyiségéből is meg tudja határozni a 14C/12C arányt. (Forrás: J. Forest, CNRS Photothèque).

Azonban a szénizotópos kormeghatározásnak is vannak korlátai. A szenet csak élőlények veszik fel (pontosabban valaha élt lények), mint a fák vagy fosszíliák, ezért a módszer nem alkalmas például kövek és agyagedények kormeghatározására, és pontossága csak a 60000 évnél idősebb objektumok esetén kielégítő.

Hosszú ideig úgy gondolták, hogy a légkörünk 14C tartalma konstans. Manapság már tudjuk, hogy a Föld és a Nap mágneses tere időben változik. Ez azt jelenti, hogy a kozmikus sugarak légkörbe jutó mennyisége, és ezzel együtt a 14C termelődése is változó. Ezért a 14C kort hitelesíteni kell más technikák felhasználásával. Az egyik ilyen eljárás a dendokronológia, vagy más néven az évgyűrű alapján történő kormeghatározás.

Három gyűrűváltozat: 1-a növekedés első éve, 2-esős időszak (vastagabb gyűrű), 3-száraz időszak (vékonyabb gyűrű), 4-erdőtűzben keletkezett heg.

A dendokronológia egy fa törzsének horizontális keresztmetszetén található látható gyűrűket vizsgálja, amelyek a természetes növekedés során keletkeznek. A gyűrűk az évszakoktól függő növekedési sebességek eltérése miatt jönnek létre, és egy gyűrű jellemzően egy évnek felel meg. Ez a technika a legjobban a mérsékelt égövben működik, ahol az évszakok markánsan eltérnek egymástól. Így körülbelül néhány száz évre visszamenőleg tudunk kort meghatározni, mivel a nagyon öreg fák elég ritkák.

Sok őskori barlangrajz 30000 éves, amelyet szénizotópos kormeghatározással állapítottak meg, mivel a rajzokhoz felhasznált festék alapanyaga szerves eredetű volt.

14C segítségével dátumozott barlangrajzok. Forrás: N. Aujoulat (CNP-Ministère de la culture et de la communication).

A szénizotópos kormeghatározást különleges régészeti leletek esetén is be lehet vetni. 1991 szeptemberében két hegymászó egy, a jégből félig kilógó emberi testet talált az Alpokban. A jégember, akit később Ötzinek kereszteltek el a hegyvonulat neve után, ahol megtalálták, valószínűleg 4000 évvel ezelőtt halt meg.

Finding Ötzi

Részletes és független 14C vizsgálatokat folytattak négy intézetben (Innsbruck, Bolzano, Zürich, Oxford) Ötzi csontjain és szövetein csakúgy, mint eszközein (Uppsala, Gif/Yvette, Bécs) és a helyszínről származó üledéken (Bécs). A nem hitelesített kor 4550 évnek adódott. A fa évgyűrűire alapozott, hitelesített kor szerint pedig Ötzi még ennél is 650 évvel idősebb. Tehát Ötzi időszámításunk előtt 3350 és 3100 között halt meg.

A holttest vizsgálata megdöbbentő részleteket tárt fel az életéről. A beleiben talált gabona és a hajában felfedezett ásványok alapján arra a következtetésre jutottak, hogy Ötzi Dél-Tirolból érkezett az Alpokba, amikor a hó és a jég fogságába esett. Alakorból (egyfajta gabona) készült kását, zöldséget és húst evett halála előtt nem sokkal. A fogában és a csontjaiban lévő szén- és oxigénizotópok analíziséval arra is rájöttek a kutatók, hogy Ötzi gyermekkorát és felnőttkorát máshol töltötte. Arra is sikerült rájönni, hogy halálakor 45 éves, izmos, sötét, göndör hajú és kék szemű ember volt. Géntérképének legújabb vizsgálatai pedig arra utalnak, hogy Ötzi Szardínia szigetéről származott.

A fa évgyűrűin alapuló kormeghatározás a 14C módszer 11000 évig terjedő hitelesítésére alkalmas. A 10000 és 30000 év közötti időintervallum hitelesítésére a tavi üledékek és korallok felhasználásával végzett uránium-tórium technika használatos.

Életük során a korallok a tengervízben lévő urániumot (felezési idő: 245,5 év) magukba építik, de a tóriumot (230Th) nem. Halála után a korallban az uránium 230Th-ba bomlik, amely izotóp így a csontvázban feldúsul. Az U/Th arányt mérve a korall életkorát kaphatjuk meg.

Azonban a tórium is radioaktív (felezési idő: 75380 év), és egymás után, egy láncon keresztül más elemekbe bomlik, amelynek a végén ólom keletkezik. Ez egy kissé bonyolultabbá teszi az eljárást. Az U-Th módszerrel 10000 és 500000 év közötti korokat vagyunk képesek meghatározni.

Ennek a technikának is vannak korlátai. A legújabb kutatások azt bizonyítják, hogy neutronbefogással is keletkezhet ólom, tehát létrejöttének nem az urániumbomlás az egyetlen forrása. Ez természetesen megváltoztatja az eredményeket.

A referenciaként használt korall az U-Th kormeghatározásban. Forrás: J. Lecomte (CNRS Photothèque).

A termolumineszcenciát Sir Boyle fedezte fel 1663-ban. Sok kristályos anyag, például néhány ásvány, melegítés hatására fényt bocsát ki. 300 évvel a felfedezése után a tudósok magyarázatot is találtak erre a jelenségre. Amikor az anyagot nagy energiájú sugárzás éri, az elektronok gerjesztett állapotba kerülnek. Az így keletkező energiát néhány ásványban a kristályrács hibái csapdába ejtik. Amikor azonban a kristályt melegítjük az elektronok alacsonyabb energiájú pályákra ugorhatnak, és az átmenet során fény bocsátódik ki.

Pierre és Marie Curie is feljegyezték, hogy néhány üvegtartályt a sugárzás elszínezett, majd az elszíneződés eltűnt melegítés hatására miközben fénykibocsátás is történt.

A kutatók megmutatták, hogy a kibocsátott fény intenzitása egyenesen arányos az ásványok által kapott sugárzás mennyiségével. Így a termolumineszcencia is alkalmas olyan tárgyak kormeghatározására, amelyek kozmikus vagy földi sugárzásnak lettek kitéve, mivel a dózis a tárgyak korától függ.

Ezt a technikát számos esetben alkalmazzák, mint például őskori kovakövek, kerámiák és agyagedények korának megállapítására. A termolumineszcenciával meghatározható legidősebb kor kb. 250000 év.

Fönt: radonsugárzás által, üvegedényen létrehozott kékes szín Marie és Pierre Curie laboratóriumában. Forrás: C. Delhaye (CNRS Photothèque).

Balra: 7000-10000 éves agyadedény, melynek korát termolumineszcenciával határozták meg. Forrás: A. Chênè (CNRS Photothèque). Alul: termolumineszcenciával dátumozott 92000 éves női és gyerek csontvázak. Forrás: CEA – CNRS – CFR.

Amikor a 40K izotóp 40Ar-be bomlik egy kőzet belsejében, a gázhalmazállapotú 40Ar csak akkor juthat ki, ha az ásványt melegítjük. Ezért egy kőzetben fellelt Ar mennyisége az utolsó lehülés óta eltelt időt adja meg.

A K-Ar módszer rendkívül jó a vulkáni aktivitás tanulmányozására, és a 40K 1,3 milliárd éves felezési idejét kihasználva 106 évtől 109 évig határozhatunk meg korokat a geokronológiában. A radioaktív 40K gyakori a csillámpalában, a földpátban, az amfibolban, amelyek bezárási hőmérséklete alacsony (a csillámpala 125°C-jától az amfibol 450°C-jáig terjed).

A K-Ar technikát alkalmazták arra, hogy a földi geológiai korok változását nyomon kövessék, meghatározzák a Föld 4,5 milliárd éves korát és az emberiség 5 millió évvel ezelőtti felemelkedését (Kelet-Afrikában), illetve megmérjék a földi mágneses pólusok cseréjének ritmusát.

A 87Rb 87Sr-ba bomlik 48 milliárd év felezési idővel. A többi stroncium izotóp (A = 84, 86, 88) stabil, ezért a stroncium kitűnő nyomjelzője a kőzetek rubídiumtartalmának és korának. Holdi minták esetén is felhasználták már. A 87Sr/86Sr arány a kőzetekben 0,703-tól (fiatal) 0,750-ig (öreg) változik. A 87Rb-87Sr módszerrel 10 millió és 10 milliárd éves tárgyak korát határozhatjuk meg.

Érdekes történet, hogy a Rb-Sr módszer hogyan segítette a dinasztiaalapító Yax K’ uk Mo származását feltárni, amely dinasztia 400 évig uralta a maja Copán (jelenleg Honduras) városát.

A 8. században egy szerény mezoamerikai falu Copán (jelenleg Hondurasban található) néven a legfontosabb maja várossá vált. A felemelkedés Yax K’ uk Mo-nak tulajdonítható, aki Copánra 427-ben érkezett.

Ebben az időben Teotihuacan volt a vezető település, egy nagy város a Kolumbusz előtti mezoamerikai Mexikó-völgyben. Száz kilométerekkel messzebb lévő városok is a stílusát másolták, és isteneiket imádták. A copáni művészek Yax K’ uk Mo-t teotihuacani díszekben ábrázolták, ami egyértelműen utalt származására. Azonban Yax K’ uk Mo származását minden kétséget kizáróan csak a 87Sr/86Sr és 18O/16O arányok megmérése biztosíthatta, amit a király Copánon talált fogain és csontjain végeztek el.

A Yucatán-félszigetet, ahol Yax K’ uk Mo élt és meghalt, tengeri üledék építi fel. A 87Sr/86Sr arány kis változásokat (0,7049 és 0,7089 között) mutat a félsziget területén. A Mexikó-völgyet vulkanikus kőzet alkotja, ahol az arány nagyobb változásokat mutat, míg Teotihuacanban az arány alacsonyabb (0,7046). A fogzománc strapabíró védelmet nyújt az alatta lévő dentin (fogállomány) számára. Mindkettőben van kalcium, de kialakulásuk eltér egymástól. A zománc a gyerekkorban jön létre, amikor nőnek a fogak, míg a dentin egész életünkben folyamatosan formálódik. A stroncium kémiailag a kálciumhoz hasonló, ezért kicserélődhet vele a zománcban, a dentinben és a csontokban. A stroncium az étellel jut a szervezetünkbe, és a 87Sr/86Sr jellemző a helyi talajra. Tehát a zománc izotóparánya a gyerekkorról, míg a dentiné és a csontoké a későbbi életszakaszról hordoz információt. Yax K’ uk Mo fogzománcának 0,7084-es értéke a Tikalban (Copántól északra fekszik) jellemző aránnyal egyezik meg.

Jobbra: Yax K’ uk Mo királyt ábrázoló kerámiafigura teotihuacani díszekben (Forrás: American Institute of Physics 2004).

Balra: megmért 87Sr/86Sr arányok a Kolumbusz előtti, mexikói városokban és a Yucatán-félszigeten (Forrás: American Institute of Physics 2004).

A 18O/16O arány egy másik helyszínmeghatározást nyújt. Az oxigén a testünkbe az elfogyasztott vízzel kerül. Az óceánhoz közelebbi felhőkből származó eső a szárazföld belsejében lehullónál gazdagabb 18O-ban.

A Yax K’ uk Mo fogzománcán és csontjain elvégzett stroncium- és oxigénozotópos mérések nem támasztották alá teotihuacani származását, hanem arra mutattak rá, hogy korai éveit Tikal környékén töltötte, majd Copánra költözött.


Tesztelje magát!
1. Minden kormeghatározási módszer egy bizonyos időintervallumban működik a legjobban. A fa évgyűrűire alapozott módszer 12000 évvel ezelőttig használatos. Meddig alkalmas a szénizotópos módszer a korok meghatározására?
  1. Körülbelül 40000 évvel ezelőttig
  2. Körülbelül 10 millió évvel ezelőttig
  3. Körülbelül 60000 évvel ezelőttig
  4. 1 milliárd évvel ezelőttig
2. Egy mérés eredményeként azt kapjuk, hogy az eredeti 14C0 koncentráció egy csontban 14Ct értékre 53%-kal csökkent. A bomlási törvény szerint t =-(t½)/ln2xln(14Ct/14C0), (ahol t½ = 5730 év), és feltételezzük, hogy a 14C izotópkoncentrációja időben nem változik. Mennyi idős a csontváz?
Kérem a válaszokat ...
1.c   2. A csontváz kb. 5200 éves