Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 421

Radiometrické datování historie Země a lidstva

V dějinách lidstva jsou dvě období, která výrazně změnila přístup k datování jak historie lidské společnosti, tak historie Země. To první bylo období odpovídající začátku používání písma k záznamu historických událostí. Druhé období kolem poloviny dvacátého století souvisí s objevem radioaktivity a použití radioaktivních prvků k datování.

Fotogalerie (5)
Obr. 5: Vyleštěný vzorek křemenného metakonglomerátu z Jack Hills v Austrálii. Obsahuje nejstarší známá minerální zrna na Zemi (4,4 mld let). (Zdroj Wikimedia Commons)

Datování díky písmu

Písmo se začalo používat na různých územích v různou dobu. Na území Mezopotámie se nejstarší písemné památky datují kolem roku 3 500 př. n. l. Najednou bylo možné zaznamenávat i genealogické údaje a historické události. Seznamy panovníků patří mimochodem k nejstarším záznamům. V řadě případů se podařilo k relativním údajům, třeba rodokmenům panovnických rodů, přiřadit pevné datum. Např. záznam o zatmění Slunce ( 15. 6. 763 př. n. l.) na tabulce nalezené v archivu města Ninive, umožnil datovat údaje v prvním tisíciletí př. n. l. na Blízkém východě. Údaje o východu a západu Venuše nalezené v archivu předposledního krále 1. babylonské dynastie Ammi Saduky umožnily, i když s menší přesností, datovat řadu událostí v druhém tisíciletí př. n. l. Víme tak třeba, že slavný babylonský král Chammurapi vládl v letech 1793- 1750 př. n. l. (O jeho zákoníku jsme psali zde https://www.3pol.cz/cz/rubriky/medicina-a-prirodoveda/1643-chammurapiho-zakonik-o-lekarskem-pravu.)

Datování díky zkamenělinám

Pokud se ale nezachovaly písemné záznamy nebo pokud šlo o datování událostí před vznikem písma, bylo jakékoli určení stáří velmi složité. V roce 1869 známý český zoolog a paleontolog Antonín Frič vydal knihu „O vrstvách kůry zemské a zkamenělých tvorech v nich obsažených“. Antonín Frič ( *1832 - Ⴕ1913) pracoval jako asistent u J. E. Purkyněho (*1787 - Ⴕ1869), byl profesorem na Karlově universitě a zasloužil se mimo jiné o to, že Barrandovy sbírky byly odkázány pražskému Národnímu muzeu. V knize jsou uvedena jednotlivá období vývoje Země i živočichové a rostliny, jejichž zkameněliny se v jednotlivých vrstvách zachovaly, ale není tam uvedeno jediné datum. Možnost datovat geologická období umožnil až objev radioaktivity.

Datování díky radioaktivitě

Princip metody umožňující datování pomocí radioaktivity je poměrně jednoduchý, i když vlastní provedení a interpretace dat už tak jednoduchá být nemusí. Vycházíme z předpokladu, že známe množství N0 radionuklidu obsaženého ve zkoumaném vzorku v okamžiku, v němž chceme stáří určit. Dále předpokládáme, že umíme stanovit aktivitu N radionuklidu v současné době a známe poločas T½ přeměny použitého radionuklidu. Potom platí

              

a z rovnice můžeme vypočíst stáří vzorku (t). Jako příklad si uvedeme datování pomocí radioaktivního uhlíku 14C. O této metodě se už v Třípólu psalo zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/590-datovani. Radioaktivní uhlík 14C vzniká v atmosféře interakcí kosmického záření s atomy 14N.

14N + n → 14C + p

V atmosféře oxiduje na CO2, je přijímán rostlinami a potravním řetězcem se dostává do celé biosféry. Po odumření organizmu se přísun 14C zastaví a 14C se přeměňuje s poločasem 5570 let opět na 14N.

14C → 14N + e− + ν¯e

Jsme-li schopni stanovit aktivitu 14C třeba pomocí kapalných scintilátorů nebo stanovit množství atomů 14C ve vzorku atomovou spektroskopií, můžeme stanovit hodnotu t, stáří vzorku. Touto metodou lze datovat materiály obsahující uhlík, např.: dřevo, rašelinu, uhlíky z ohnišť, ulity měkkýšů, ale i papír, kůži atd. Metoda je vhodná k datování vzorků, které nejsou starší než 8 až 10 poločasů přeměny, tj. do cca 50 000 let nazpět.

Při použití metody předpokládáme, že jsou splněny následující předpoklady:

a) produkce 14C je v průběhu času konstantní,

b) poměr 14C/12C v biosféře a hydrosféře je v rovnováze s atmosférickým poměrem,

c) od smrti organismu se systém považuje za uzavřený.

Vzhledem k tomu, že při spalování fosilních paliv se do atmosféry dostává množství starého uhlíku a zároveň při testech jaderných zbraní bylo vyprodukováno velké množství 14C, je nutné vztahovat množství 14C k hodnotě z předprůmyslové éry. Problém ale je, že produkce 14C v minulosti nebyla konstantní a byla ovlivňována jednak fluktuacemi činnosti Slunce a jednak změnami magnetického pole Země. Provést korekce na změny produkce 14C umožňuje dendrochronologie, metoda, která nemá nic společného s radioaktivitou a která je založena na měření tlouštěk letokruhů. O dentrochronologii si řekneme něco v dalším odstavci.

Příklad radiokarbonového datování

Jako příklad použití datování pomocí 14C je možno uvést datování nástěnných maleb v Chauvetově jeskyni ve Francii. V roce 1994 byla v blízkosti Nimes v jižní Francii objevena jeskyně, ve které se zachovaly nádherné pravěké malby. Na více než 100 kresbách je zachyceno 13 druhů zvířat. Datování pomocí 14C určilo stáří maleb na 35 až 37 tisíc let. Malby tedy patří k nejstarším na světě. Jsou dvakrát starší než světoznámé malby v Altamiře /2/. Je fascinující, jakých uměleckých projevů byl člověk v období před 37 000 lety schopen.

Vraťme se k dendrochronologii

Dendrochronologie se zabývá zkoumáním letokruhů stromů. Podle počtu letokruhů lze zjistit, jak dlouho strom rostl. Měřením šířek letokruhů dostaneme řadu čísel, která je charakteristická pro daný druh stromů v určité oblasti a která je charakteristická pro daný časový interval. Letokruhy můžeme změřit na přímém řezu, nebo vyvrtáme z kmene váleček několik mm tlustý a změříme tloušťky letokruhů na něm. Číselnou řadu šířek letokruhů potom srovnáme se standardní řadou, která je k dispozici díky práci několika generací dendrochronologů. V současné době nám už provede srovnání počítačový program.

Jižně od Čáslavi je vesnice Klucké Chvalovice, kde byla před několika lety restaurována dřevěná chalupa (obr. 2). Průřez z jednoho krovu vyhodnotili kolegové z Dendrochronologické laboratoře lesnické a dřevařské fakulty ČZÚ. Nejlepší korelace vychází pro rok 1761. (Obr. 3.) Mohl být ale použit trám ze starší chalupy. Před několika lety bylo ve Velimi u Kolína objeveno sídliště z mladší doby kamenné se studnou vyztuženou dubovým dřevem. K určení stáří byla použita chronologická řada letokruhů ze SRN, kde mají k dispozici řady až do 7. tisíciletí př. Kr. Z porovnání vyplynulo, že strom, použitý na stavbu studny ve Velimi, byl pokácen v době vegetačního klidu (říjen – duben) na přelomu roku 5196 – 5195 př. Kr. /3/. To, že dendrochronologická metoda poskytuje takto přesné výsledky, z ní učinilo ideální metodu ke kalibraci datování pomocí radioaktivního uhlíku a umožnilo výrazně zpřesnit měření touto metodou. Pokud byste se chtěli o dendrochronologii dozvědět víc, mohu doporučit knížku J. Kyncla /4/.

Datování starších vzorků

Datování radioaktivním uhlíkem je vhodné pro vzorky mladší než cca 40 000 -50 000 let. K datování geologických vzorků je nutné použít radionuklidy s výrazně delším poločasem přeměny. V přírodě se nachází řada radionuklidů, které jsou pro takovéto datování vhodné. Nejdůležitější uvádí tabulka 1.

 Tabulka 1: Prvky vhodné pro radiometrické datování

Mateřský izotop

Dceřiný izotop

Poločas přeměny (109 let)

235U

207Pb

0,704

238U

206Pb

4,47

40K

40Ar

1,25

232Th

208Pb

14,0

87Rb

87Sr

48,8

187Rh

187Os

43,0

Tyto metody jsou vhodné převážně jen k datování vulkanických typů hornin. Z běžných minerálů se používá k datování zirkon ZrSiO4. Předpokládáme, že materiál je v roztaveném stavu. Při jeho tuhnutí se tvoří krystaly zirkonu, v krystalové mřížce zůstávají izotopy U a Th, ale Zr odpuzuje Pb. To nám umožňuje předpokládat, že veškeré Pb vzniklo přeměnami izotopů U a Th. Pokud je minerál zahřát na určitou teplotu, dojde k odstranění radiogenního Pb. Tato teplota se nazývá uzavírací teplotou. Měla-li láva teplotu vyšší než je uzavírací teplota pro Zr (nad 1000 °C), např. čedič, stačí stanovit množství U, Th a Pb. Při použití této metody předpokládáme, že z měřeného minerálu neuniklo žádné radiogenní Pb. Pokud není tento předpoklad splněn, můžeme použít tzv. isochronní metodu, kde měříme nejen rodičovský a dceřiný izotop, ale i obsah jiného izotopu dceřiného prvku. Dlouhé poločasy přeměny některých používaných izotopů umožňují datovat i horniny a minerály, jejichž stáří je srovnatelné se stářím Země. Tak např. v Austrálii v Jack Hills nalezený krystal zirkonu je 4,4 miliardy let starý /5/. Velmi starých hornin je na Zemi málo - je to výsledek eroze tekoucí vodou a deskovou tektonickou recyklací a deformací. Vyleštěný úlomek skály na obrázku je křemeno-oblázkový metakoglomerát ze slavného křemence Jack Hills v západní Austrálii. Mikroskopická detritická zrna minerálu zirkonu (ZrSiO4 - křemičitan zirkoničitý) extrahovaného ze vzorků hornin Jack Hills jsou nejstaršími přímo pozorovatelnými pozemskými materiály. Stáří detritických zirkonů z Jack Hills se pohybuje mezi 3,05 a 4,404 miliardami let. To je velmi blízké odhadovanému stáří Země.

Meteority nalezené v kráteru Canyon Diablo v Arizoně (Obr. 4) odpovídají svým složením původnímu složení Sluneční soustavy a jejich stáří je určeno na 4,55 miliardy let.

Pomocí radiometrických metod se určuje stáří jednotlivých etap vývoje Země. Víme-li, že tyranosaurus Sam, jehož kostra byla nedávno vydražena za 31,8 milionů dolarů, žil před 66,4 miliony let, víme to díky radiometrickým datovacím metodám.

Literatura:

/1/ https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/590-datovani

/2/ https://whc.unesco.org/en/list/310/

/3/ Cesty Archeologie 17. 7. 2017, https://www.cestyarcheologie.cz/single-post/dendrochronologie-studna-velim

/4/ J. Kyncl, Letokruhy jako kalendář a záznamník, Grada 2017

/5/ http://www.sci-news.com/geology/science-jack-hills-zircon-oldest-known-fragment-earth-01779.html

Tomáš Čechák
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Jak se snažíme usnout

Spánek je základním předpokladem duševní a fyzické pohody. Statistiky Evropské společnosti pro výzkum spánku ale ukazují, že přibližně 10 % evropské populace postihují poruchy spánku.

Proč by se měli ochránci přírody opravdu zajímat o jadernou energii

Jaderný průmysl musí účinně jednat, aby ukončil mnoho desetiletí pochybností o formě energie, která je nejpřátelštější k životnímu prostředí a která je jedinou ...

Spojené království plánuje prototypovou fúzní elektrárnu

Britská vysoce kompaktní fúzní elektrárna s tokamakem STEP – Spherical Tokamak for Energy Production – by měla být postavena do roku 2040.

Zdroje uranu vystačí na 135 – 250 let

Takový je jeden ze závěrů zprávy uveřejněné 23. prosince 2020 v tzv. Červené knize (Red Book), kterou společně vypracovaly Nuclear Energy Agency (NEA) při OECD a Mezinárodní agentura pro atomovou energii ...

Začíná desetiletí hybridních elektráren?

Právě začínající třetí desetiletí 21. století přinese masivní rozvoj hybridních elektráren, které jsou kombinací slunečních a větrných zdrojů a bateriových úložišť.

Nejnovější video

Jak funguje PCR test na coronavirus

Krásně a jednoduše vysvětleno se srozumitelnými animacemi. V angličtině.

close
detail