Penanggalan radiokarbon
Penanggalan radiokarbon (disebut pula penanggalan karbon atau penanggalan karbon-14) adalah suatu metode penentuan usia suatu objek yang mengandung materi organik dengan memanfaatkan sifat radiokarbon, suatu isotop radioaktif dari karbon.
Metode ini dikembangkan pada akhir tahun 1940-an oleh Willard Libby, yang menerima Hadiah Nobel dalam Kimia pada tahun 1960 berkat karyanya ini. Metode ini didasarkan pada fakta bahwa radiokarbon () dihasilkan terus-menerus di atmosfer sebagai hasil interaksi sinar kosmik dengan nitrogen di atmosfer. yang dihasilkan bergabung dengan oksigen di atmosfer untuk membentuk karbon dioksida radioaktif, yang digunakan tumbuhan untuk proses fotosintesis; hewan memakan tumbuhan tersebut dan menerima . Ketika hewan dan tumbuhan tersebut mati, pertukaran karbon antara mereka dengan lingkungan berakhir, dan sejak saat itu, jumlah yang dikandungnya mulai berkurang sedikit demi sedikit ketika mengalami peluruhan radioaktif. Pengukuran jumlah dalam sampel tumbuhan atau hewan mati seperti pada suatu potongan kayu atau potongan tulang menyediakan informasi yang dapat digunakan untuk memperkirakan kapan tumbuhan atau hewan tersebut mati. Semakin tua sampel tersebut, maka semakin sedikit yang dapat dideteksi dari sampel tersebut, dan karena waktu paruh (masa ketika setengah dari sampel yang diberikan telah meluruh) adalah sekitar 5.730 tahun, penanggalan tertua yang dapat terukur melalui metode ini adalah sekitar 50.000 tahun lalu, meskipun metode penyiapan khusus terkadang dapat memberikan analisis akurat bagi sampel yang sudah sangat tua.
Sejumlah penelitian telah dilakukan sejak tahun 1960-an untuk menentukan proporsi di atmosfer. Hasilnya, dalam bentuk kurva kalibrasi, saat ini digunakan untuk mengkonversi pengukuran radiokarbon dalam suatu sampel ke dalam perkiraan usia sampel tersebut. Koreksi lainnya harus dibuat dengan mempertimbangkan proporsi dalam jenis organisme yang berbeda (fraksionasi), serta kadar yang bervariasi di biosfer (efek reservoir). Pembakaran bahan bakar fosil seperti arang dan minyak, serta uji nuklir yang dilakukan pada 1950-an dan 1960-an mempersulit perhitungan penanggalan karbon. Karena waktu yang diperlukan untuk mengubah materi biologis menjadi bahan bakar fosil lebih lama dibanding waktu yang diperlukan bagi untuk meluruh pada batas deteksi, bahan bakar fosil hampir sama sekali tidak mengandung , dan karenanya sempat terjadi penurunan proporsi di atmosfer yang berawal pada akhir abad ke-19. Kebalikannya, uji nuklir meningkatkan jumlah di atmosfer, yang mencapai maksimumnya pada sekitar tahun 1965 dengan hampir dua kali dari jumlah yang ada sebelum uji tersebut dimulai.
Pengukuran radiokarbon pada mulanya dilakukan dengan alat pencacah-beta, yang menghitung jumlah radiasi beta yang dipancarkan melalui peluruhan atom dalam sampel. Baru-baru ini, spektrometri massa pemercepat menjadi metode pilihan dalam pengukuran radiokarbon; metode ini menghitung seluruh atom dalam sampel dan tidak hanya karbon yang akan meluruh selama pengukuran; karenanya metode ini dapat digunakan dengan sampel yang lebih sedikit (seperti biji tumbuhan), dan lebih cepat memberikan hasil. Pengembangan penanggalan radiokarbon berdampak besar pada bidang arkeologi. Selain memberi penanggalan yang lebih akurat dibandingkan metode sebelumnya, metode ini mampu membandingkan penanggalan dengan jarak yang amat besar. Sejarah arkeologi terkadang merujuk pengaruh ini sebagai "revolusi radiokarbon". Penanggalan radiokarbon memberikan penanggalan bagi sejumlah masa transisi prasejarah penting, seperti akhir zaman es terakhir, dan awal Neolitikum dan Zaman Perunggu di wilayah yang berbeda.
Sejak diperkenalkan metode ini telah banyak digunakan sampai saat ini untuk menganalisis banyak objek terkenal, antara lain sampel dari Gulungan Laut Mati, Kain Kafan dari Torino, sejumlah besar artefak dari zaman Mesir kuno untuk memasok informasi bagi kronologi Dinasti Mesir, dan Ötzi, manusia purba yang jasadnya ditemukan terawetkan dalam es.
Pada tahun 1939, Martin Kamen dan Samuel Ruben dari Laboratorium Radiasi di Berkeley memulai percobaan untuk menentukan apakah unsur-unsur yang umum dalam materi organik memiliki isotop dengan waktu paruh yang cukup lama untuk digunakan dalam penelitian biomedis. Mereka mensintesis menggunakan pemercepat siklotron laboratorium tersebut dan kemudian mereka menemukan bahwa atom-atom tersebut memiliki waktu paruh yang jauh lebih lama dari yang mereka anggap sebelumnya. Penemuan ini kemudian diikuti oleh prediksi oleh Serge A. Korff, yang saat itu bekerja di Franklin Institute di Philadelphia, bahwa interaksi neutron termal dengan di atmosfer atas dapat menghasilkan . sebelumnya telah terpikir untuk dibuat dari interaksi deuteron dengan . Pada saat di masa Perang Dunia II, Willard Libby, yang saat itu menjalani studi di Berkeley, mempelajari penelitian Korff dan terpikir akan kemungkinan penggunaan radiokarbon untuk penanggalan.
Pada tahun 1945, Libby memulai penelitiannya mengenai penanggalan radiokarbon di Universitas Chicago. Ia menerbitkan sebuah makalah pada tahun 1946 yang berisi usulan mengenai kemungkinan adanya serta karbon non-radioaktif dalam materi hayati. Libby dan beberapa kolaborator melakukan percobaan dengan metana yang ia kumpulkan dari selokan di Baltimore, dan setelah memperkaya sampel mereka secara isotopik mereka mampu menunjukkan bahwa sampel tersebut mengandung . Di sisi lain, metana yang dihasilkan dari minyak bumi tidak menujukkan aktivitas radiokarbon karena usia sampel tersebut. Hasil tersebut dirangkum dalam sebuah makalah yang diterbitkan dalam "Science" pada tahun 1947, yang dalam komentarnya para penulis menyatakan bahwa hasil tersebut memperlihatkan adanya kemungkinan untuk melakukan penanggalan pada materi yang mengandung karbon organik.
Libby dan James Arnold melanjutkan penelitiannya untuk menguji teori penanggalan radiokarbon dengan menganalisis sampel yang telah diketahui usianya. Sebagai contoh, dua sampel yang diambil dari makam dua raja Mesir, Djoser dan Sneferu, masing-masing tertanggal 2625 SM lebih kurang 75 tahun, diukur dengan metode penanggalan radiokarbon dan menghasilkan usia kira-kira 2800 SM lebih kurang 250 tahun. Hasil ini diterbitkan dalam "Science" pada tahun 1949. Dalam kurun waktu 11 tahun setelah pengumuman tersebut, lebih dari 20 laboratorium penanggalan radiokarbon telah dibangun di seluruh dunia. Pada tahun 1960, Libby dianugerahi Hadiah Nobel dalam Kimia berkat karyanya tersebut.
Di alam, karbon hadir sebagai dua isotop stabil, nonradioaktif: karbon-12 (), dan karbon-13 (), serta sebuah isotop radioaktif, karbon-14 (), yang dikenal pula sebagai "radiokarbon". Waktu paruh bagi (masa yang diperlukan untuk meluruhnya setengah jumlah ) adalah sekitar 5.730 tahun, sehingga konsentrasinya di atmosfer mungkin diperkirakan berkurang selama ribuan tahun, namun diproduksi secara terus-menerus di stratosfer bawah dan troposfer atas, terutama oleh sinar kosmik galaktik, dan pada tingkatan yang lebih rendah oleh sinar kosmik matahari. Sinar ini menghasilkan neutron yang kemudian menghantam atom nitrogen-14 () dan membentuk . Reaksi nuklir tersebut merupakan jalur reaksi utama dalam pembentukan :
Dalam persamaan di atas, n mewakili neutron dan p mewakili proton.
Setelah diproduksi, bergabung secara cepat dengan oksigen di atmosfer untuk membentuk karbon monoksida () pertama, dan kemudian menjadi karbon dioksida ().
Karbon dioksida yang dihasilkan dari reaksi ini berdifusi di atmosfer, terlarut di lautan, serta dimanfaatkan oleh tumbuhan untuk fotosintesis. Hewan memakan tumbuhan ini, dan karenanya radiokarbon terdistribusi ke seluruh biosfer. Perbandingan dan kira-kira 1,25 bagian terhadap 10 bagian . Selain itu, sekitar 1% atom karbon merupakan isotop yang stabil.
Persamaan reaksi peluruhan radioaktif adalah:
Dengan memancarkan partikel beta (suatu elektron, e) dan suatu antineutrino elektron (), neutron dalam inti berubah menjadi proton dan inti kembali ke bentuk isotop stabil (non-radioaktif) .
Selama masa hidupnya, tumbuhan atau hewan berada dalam kesetimbangan dengan lingkungannya melalui pertukaran karbon baik dengan atmosfer, atau melalui makanan yang dikonsumsinya. Mereka karenanya memiliki proporsi yang sama dengan atmosfer, atau dalam kasus hewan atau tumbuhan laut, sama dengan laut. Ketika mereka mati, mereka berhenti menerima , namun dalam materi biologisnya saat itu akan terus meluruh, dan karenanya perbandingan terhadap dalam sisa-sisa mereka akan berkurang secara bertahap. Karena meluruh pada laju yang diketahui, proporsi radiokarbon dapat digunakan untuk menentukan seberapa lama sejak sampel yang diberikan berhenti mengalami pertukaran karbon – semakin tua sampel tersebut, semakin sedikit yang tersisa.
Peluruhan isotop radioaktif dinyatakan melalui persamaan:
yang dalam rumus di atas, "N" merupakan jumlah atom isotop dalam sampel awal (pada saat "t" = 0, saat ketika sampel organisme tersebut mati), dan "N" adalah jumlah atom yang tersisa pada saat "t". "λ" adalah suatu konstanta yang bergantung pada isotop tertentu; untuk isotop yang diberikan akan berbanding terbalik dengan waktu purata – yaitu waktu rerata atau yang diperkirakan dari atom yang diberikan untuk dapat bertahan sebelum mengalami peluruhan radioaktif. Waktu purata, dinyatakan dengan "τ", dari adalah 8.267 tahun, sehingga persamaan di atas dapat ditulis kembali sehingga: