Uhlík C 14

Objev radioaktivního izotopu uhlíku ¹⁴C Martinem Kamenem a Samuelem Rubenem 27. února 1940 pomohl zahájit novou éru zkoumání starých civilizací – datování artefaktů z dávných dob.

Od poloviny 30. let 20. století vědci předpovídali existenci formy uhlíku se dvěma neutrony v jádře navíc, ale mysleli si, že bude mít tak krátkou životnost, že ji nebude možné měřit a bude tak „nepolapitelná“. Ernest Lawrence, který založil Berkeleyho laboratoř, byl však odhodlán ji najít. V roce 1939 tím pověřil chemiky Martina Kamena a Samuela Rubina. Za celý rok nenašli ani náznak nepolapitelného atomu.

Pak, v lednu 1940, zahájili „zoufalý“ experiment, při kterém umístili kousek grafitu (krystalické formy uhlíku) do cyklotronu, jednoho z prvních typů urychlovačů částic. Cyklotron bombardoval jejich vzorek deuterony – jádry těžkého vodíku s jedním protonem a jedním neutronem. Doufali, že krystalická forma uhlíku absorbuje přebytečné neutrony, vyzáří proton a stane se „těžkou“ verzí uhlíku.

Experiment probíhal nepřetržitě 120 hodin. 15. února Martin Kamen, který trpěl nedostatkem spánku, přestal bombardovat vzorek deuterony, vypnul urychlovač a zamířil domů. Byl tak pomačkaný a rozcuchaný, že ho zadržela a krátce vyslýchala policie, která zrovna hledala uprchlého vraha.

Máme to!

Když byl Kamen propuštěn, vrátil se do laboratoře, kde si jeho kolega Ruben všiml slabých známek radioaktivity ve vzorku. Během následujících dvou týdnů čistili uhlík a spalovali ho na plynný CO₂, který bylo možné prohnat Geigerovým počítačem za účelem měření jeho radioaktivity.

Překvapivě nalezený uhlík neměl krátký poločas rozpadu (dobu, za kterou se polovina radioaktivních atomů rozpadne na stabilní atomy). „Naměřený průřez spolu s nízkým výtěžkem naznačuje, že poločas rozpadu je velmi dlouhý (roky),“ napsali vědci v krátkém článku publikovaném 15. března 1940 v časopise Physical Review Letters.

Jejich měření ukázala, že by trvalo přibližně 4 000 let, než by se polovina uhlíku 14 rozpadla na dusík 14. (Nyní víme, že poločas rozpadu uhlíku 14 je 5 730 let.)

Už v té době si uvědomovali význam svého nálezu. „Dlouhožijící radioaktivní uhlík bude mít velký význam pro mnoho chemických, biologických a průmyslových experimentů,“ napsali vědci v článku.

Když politika interferuje s vědou (bohužel)

V následujících několika letech Ruben a Kamen použili radioaktivní molekuly uhlíku a kyslíku k objasnění klíčových kroků fotosyntézy. Ruben bohužel v roce 1943 zemřel při laboratorní nehodě při práci s jedovatým plynem a Kamen byl vyhozen z Berkeley poté, co se během „Rudé paniky“ společensky setkával s hudebníky a dalšími lidmi považovanými za „levičáky“. V roce 1948 byl předvolán, aby svědčil před Výborem pro neamerické aktivity Sněmovny reprezentantů, a ačkoli nebyl nikdy shledán vinným z žádného provinění, po léta ho pronásledovala nepodložená obvinění.

Objev začal přinášet užitek až po letech

Ačkoli důsledky Kamenových a Rubenových experimentů byly okamžitě zřejmé, prokázali až v roce 1949 chemici James Arnold a Willard Libby z Chicagské univerzity, že poměr uhlíku 14 ke stabilnímu uhlíku lze použít k odhadu stáří artefaktů obsahujících uhlík. Libby získal v roce 1960 Nobelovu cenu za chemii za svou práci na radiokarbonovém datování.

Radiokarbonové datování

Archeologové běžně používají radiokarbonové datování k odhadu stáří starověkých koster a dalších artefaktů, které jsou staré až 50 000 let. Radiokarbonové datování je metoda, která vědcům umožňuje ze vzorku dřeva, kosti nebo třeba staré látky zjistit, jak je starý. Zní to skoro jako magie, ale stojí za tím jednoduchý přírodní princip: vše živé v sobě nese stopu radioaktivního uhlíku.

V atmosféře se přirozeně tvoří radioaktivní izotop uhlíku ¹⁴C. Rostliny ho přijímají při fotosyntéze a zvířata zase tím, že rostliny jedí. Dokud organismus žije, množství ¹⁴C v jeho těle je přibližně stejné jako v atmosféře. Když ale organismus zemře, příjem ¹⁴C se zastaví a izotop začne pomalu „mizet“ – rozpadá se. Vědci umí změřit, kolik ¹⁴C v materiálu zůstalo, a podle toho spočítat, kolik času uplynulo od smrti. Radiokarbonové datování tedy funguje jen u materiálů, které kdysi žily: dřevo a uhlíky z ohnišť, kosti a zuby, textilie z přírodních vláken, pergamen, papyrus, skořápky, semena, zbytky potravy. Nejde použít na kámen, kovy nebo keramiku – ty nikdy neobsahovaly uhlík z živých organismů.

Radiokarbonové datování pomohlo vyřešit stovky archeologických záhad. Díky němu víme, kdy vznikly první zemědělské osady, jak staré jsou egyptské mumie, kdy se objevily první textilie, jak se šířily dávné civilizace. Metoda je přesná zhruba do 50 000 let, což pokrývá většinu lidské kulturní historie.

Výsledky nejsou vždy úplně jednoduché. Může je zkreslit kontaminace vzorku moderním uhlíkem, požáry nebo chemické procesy, změny množství ¹⁴C v atmosféře v různých obdobích. Proto se data často kalibrují pomocí letokruhů nebo dalších přírodních záznamů.

Radiokarbonové datování je krásný příklad toho, jak propojit fyziku, chemii, biologii a historii. Učí nás, že i malý kousek dřeva může vyprávět příběh starý tisíce let – stačí vědět, jak ho „poslouchat“.

Zdroje: Science history: Carbon-14 is discovered, opening a window into past civilizations — Feb. 27, 1940 | Live Science

How do scientists figure out how old things are? | Live Science