Isotoopfractionering

C14_formatieIn mijn vorige blogpost behandelde ik de oplossing die wordt gehanteerd voor twee problemen waar de methode van de koolstof 14-datering mee te maken heeft: een onjuiste halfwaardetijd en het gegeven dat het gehalte aan koolstof 14 in de loop van de geschiedenis niet constant is geweest. Dankzij intensief onderzoek – vooral aan jaarringen – naar het correcte gehalte koolstof 14 in de loop der tijd en het omrekenen naar de juiste halfwaardetijd kunnen koolstof 14 dateringen worden gecalibreerd.

Daarmee zijn echter nog niet alle problemen verholpen. Er blijkt namelijk niet altijd sprake te zijn van een evenwicht tussen de hoeveelheid koolstof 14 in de atmosfeer en in levende wezens – de biosfeer – en dat is wel nodig wil de dateringsmethode werken. Eén van de oorzaken is gelegen in het feit dat een atoom koolstof 14 twee kerndeeltjes meer heeft en daardoor ruim 16% zwaarder is dan het reguliere koolstof 12. Iedere chemicus zal een beginnend student scheikunde uitleggen dat het gedrag van een atoom afhangt van het aantal protonen in de kern: dat legt vast om welk element het gaat en dus welke chemische eigenschappen het heeft.

In de wat ingewikkelder werkelijkheid blijkt dit model niet helemaal te kloppen. Het 16% hogere gewicht is een natuurkundig verschijnsel dat dus ook gevolgen heeft voor het fysische gedrag van het koolstof 14-atoom. In water opgelost koolzuurgas dat het zwaardere isotoop bevat, verdampt daaruit net iets minder makkelijk dan koolzuurgas met normaal koolstof 12. Omgekeerd slaat een verbinding met koolstof 14 erin net even iets sneller neer dan één met het lichtere koolstof 12. Zo ontstaan bijvoorbeeld verschillen tussen het gehalte koolstof 14 in zee en in de atmosfeer.

Maar het extra gewicht van het koolstof 14-atoom en de daarbij behorende verschillende energieniveau’s die nodig zijn voor het aangaan of ontbinden van chemische verbindingen hebben ook een klein effect op het chemische gedrag van koolstof 14. Dat effect heet ‘fractionering’ en is zelfs eerder ontdekt dan de dateringsmethode met koolstof 14. Zo zijn er talloze biochemische reacties bekend waarbij er sprake is van aanrijking of verarming met koolstof 14. Denk bijvoorbeeld aan het niet onbelangrijke proces van fotosynthese, de belangrijkste route waarlangs atmosferisch koolstof wordt opgenomen in de biosfeer.

Ik ben geen biochemicus, dus ik begrijp inhoudelijk niet veel van alle ingewikkelde berekeningen inzake fractionering en ga u er dus ook niet mee lastig vallen. Maar de gevolgen zullen u terstond duidelijk zijn: een voorwerp dat bij leven aangerijkt is geraakt met koolstof 14, start het proces van radioactief verval met een hoger gehalte koolstof 14 dan gedacht en zal jonger gedateerd worden dan het feitelijk is. Omgekeerd zal een in koolstof 14 verarmd voorwerp te oud uitvallen.

C14_fractio_01Niemand minder dan Onze Lieve Heer Zelf heeft hiervoor een oplossing aangereikt. Koolstof 14 is namelijk niet het enige isotoop van koolstof, er zijn er veel meer. Ongeveer 1% van alle koolstofatomen op aarde zijn koolstof 13-atomen. Dat is een isotoop dat één neutron extra heeft, dus één kerndeeltje meer, en dus een atoomgewicht heeft van 13. Het is ongeveer 8% zwaarder dan normaal koolstof 12. Wat belangrijker is: koolstof 13 is stabiel. Dat wil zeggen dat het niet radioactief is en niet uiteen valt en dat wil op zijn beurt weer zeggen dat het gehalte aan koolstof 13 in een organische stof na de dood niet meer verandert. Nooit. Ongeacht hoe oud het is. Alle koolstof (12, 13 of 14) is bij leven door dezelfde reeks processen gegaan voordat het in ons te dateren monster terecht kwam. Wat er aan fractionering heeft plaatsgevonden, heeft dus in alle koolstofgehaltes dezelfde sporen achtergelaten.

Het verschil in gewicht tussen koolstof 14 en koolstof 12 is precies twee keer zo groot als het verschil in gewicht tussen koolstof 13 en koolstof 12. Het effect dat dat gewichtsverschil heeft op aanrijking en verarming tijdens allerlei natuurkundige en chemische processen is dan ook twee keer zo groot op koolstof 14 als op koolstof 13. Omdat koolstof 12 en koolstof 13 beide stabiel zijn, is de hoeveelheid ervan in een te dateren monster gelijk aan de oorspronkelijke hoeveelheid en de ratio tussen beide is dus ook die van de oorspronkelijke situatie. Door diezelfde ratio met twee te vermenigvuldigen – in het echt is het iets ingewikkelder – kan worden uitgerekend met welke ratio de oorspronkelijke hoeveelheid koolstof 14 in het voorwerp – aangenomen op basis van de concentratie in de atmosfeer – moet worden gecorrigeerd.

Wanneer de voor isotoopfractionering gecorrigeerde oorspronkelijke hoeveelheid koolstof 14 wordt gebruikt in de vergelijking met de nog resterende hoeveelheid in het te dateren monster, ontstaat een datering die alle problemen rondom aanrijking en verarming heeft omzeilt. Daarmee zijn alle problemen echter nog steeds niet overwonnen: veel lastiger zijn vervuiling van het voorwerp of het te dateren monster met ouder of jonger organisch materiaal en het reservoireffect. Daarover gaat mijn volgende blogpost in deze serie.

Advertenties
Dit bericht werd geplaatst in Wetenschap en getagged met , , , , , . Maak dit favoriet permalink.

9 reacties op Isotoopfractionering

  1. mnb0 zegt:

    “Het verschil in gewicht tussen koolstof 14 en koolstof 12 is precies twee keer zo groot als het verschil in gewicht tussen koolstof 13 en koolstof 12.”
    Niet precies. C12, C13 en C14 hebben namelijk allemaal evenveel electronen. Dan zijn we wel op drie cijfers achter de komma aan het zeuren (de massa van een electron is ongeveer 1/2000 van die van een proton en neutron). Afhankelijk van de nauwkeurigheidsmarge van de meting zou dat evt. een rol kunnen spelen. En ingewikkelder berekeningen hebben als hoofddoel die marge te verkleinen …..

  2. En ik maar denken dat je met een opmerking over Onze Lieve Heer zou komen 🙂

  3. Pingback: Calibratie | Apoftegma

  4. Pingback: Reservoireffect | Apoftegma

  5. Pingback: Contra-koolstof | Apoftegma

  6. Pingback: Livius Nieuwsbrief | Januari | Mainzer Beobachter

  7. Pingback: Hoe oud is de koran? | Apoftegma

  8. Pingback: Weggepoetste informatie (2) | Mainzer Beobachter

  9. Pingback: Lijkwadegeleuter | Mainzer Beobachter

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s