Radiosüsinikumeetod

Radiosüsinikumeetodil dateerimine on radiomeetriline vanuse määramise meetod, mis kasutab looduses esineva süsiniku radioaktiivset isotoopi massiarvuga 14 (süsinik-14), võimaldades määrata orgaanilise päritoluga süsinikku sisaldavate materjalide vanust, mis võib ulatuda kuni 62 000 aastani.
Töötlemata ehk kalibreerimata radiosüsiniku vanused on tavaliselt esitatud radiosüsinikuaastates "Before Present" (enne tänapäeva), kus tänapäeva all mõeldakse kokkuleppeliselt aastat 1950. Selliseid vanuseid kalibreerides on võimalik leida vastavad vanused kalendriaastates. Üks sagedasemaid radiosüsinikumeetodi kasutusvaldkondi on arheoloogiliste orgaanikat sisaldavate leidude vanuste määramine. Kui taimed seovad atmosfäärset süsihappegaasi (CO2) orgaanilisse materjali läbi fotosünteesi, haaravad nad 14C isotoopi samal hulgal, mis ligikaudu ühtib atmosfääris oleva 14C tasemega (väike erinevus võib tekkida isotoopse fraktsioneerimise tõttu). Kui taimed surevad või tarbitakse teiste organismide poolt, hakkab radioaktiivse lagunemise tõttu kindlal kiirusel kahanema orgaanilises materjalis oleva 14C osa. Võrreldes proovis järele jäänud radiosüsiniku osa kunagise arvatava atmosfäärse 14C tasemega, on võimalik määrata proovi vanus.
Radiosüsinikul põhineva dateerimise meetodi töötas välja Willard Libby koos kolleegidega Chicago Ülikoolis 1949. aastal. Libby leidis, et ühe grammi puhta süsiniku radioaktiivsus on umbes 14 lagunemist minutis. Oma töö eest sai ta 1960. aastal Nobeli keemiaauhinna. Radiosüsinikumeetodi demonstreerimiseks määras ta Vana-Egiptuse lodjalt pärineva puutüki vanuse, mis oli varem ajaloolistest dokumentidest teada.
Eesti alustati radiosüsinikulabori rajamist 1957. aastal ZBI-s.
Füüsikaline taust.
Süsinikul on kaks stabiilset, mitteradioaktiivset isotoopi: süsinik-12 (12C) ja süsinik-13 (13C). Lisaks eksisteerib Maal teatud väikesel hulgal ebastabiilset nn radiosüsiniku (14C) isotoopi. Radiosüsinikul on suhteliselt lühike, 5730 aasta pikkune poolestusaeg, mille jooksul lagunevad radioaktiivsel lagunemisel pooled 14C aatomituumad. Süsinik-14 tekib atmosfääris õhulämmastikust kosmilise kiirguse toimel. Kosmilise kiirguse sisenemisel Maa atmosfääri tekivad neutronid, mis osalevad atmosfääris oleva molekulaarse lämmastikuga (N2) tuumareaktsioonis:
formula_1
Suurim osa radiosüsiniku moodustumisest toimub 9–15 km kõrgusel, kuid levib enam-vähem ühtlaselt atmosfääris ja reageerib hapnikuga, moodustades süsihappegaasi. Radiosüsinikku sisaldavat süsihappegaasi tarbivad fotosünteesi käigus taimed ning läbi taimede ka loomad. Selline radiosüsiniku vahetus keskkonna ja organismi vahel toimub kuni organismi surmani. Alates sellest hakkab organismis sisaldunud radiosüsiniku hulk järk-järgult läbi beetalagunemise, poolestusajaga 5,730 ± 40 aastat, vähenema.
formula_2
Mõõtmine.
Mõõtmised põhinevad iga individuaalse süsiniku aatomi radioaktiivsete lagunemiste (emiteeritud beetaosakeste) loendamisel. Seda tehakse nii gaasilisest (proportsionaalne gaasloendur) kui ka vedelast keskkonnast (vedelik-stsintillatsiooniloendur) loendamisega. Piisava suurusega proovide puhul (mõni gramm orgaanilist süsinikku) on meetod siiamaani laialdaselt kasutusel. Väiksemate proovide mõõtmisel sellise lagunemiste loendamise meetodil jääb suureks statistiline määramatus, vähendades tulemuste täpsust. Kui proov sisaldab vähe radiosüsinikku, siis suhteliselt suure poolestusaja tõttu lagunevad mõõtmise ajal vaid mõned 14C tuumad minutis. Meetodi tundlikkust on tugevalt tõstnud kiirend-mass-spektromeetri (AMS) kasutuselevõtt. Selle tehnoloogiaga määratakse 14C hulk otse proovist, mistõttu on võimalik dateerida proove, mis sisaldavad vaid mõnda milligrammi süsinikku. 
Töötlemata radiosüsiniku vanused (dateeringud, mis ei ole kalibreeritud) esitatakse tavaliselt aastatena "Before Present" (BP). See on radiosüsinikuaastate arv enne 1950, mis põhineb kindlal 14C tasemel atmosfääris, mis oli omane 1950. aastale. Radiosüsinikumeetodil vanuseid määravad laborid esitavad tavaliselt igale dateeringule määramatuse. Näiteks 3000 ± 30 BP näitab, et antud dateeringu standardhälve on 30 radiosüsinikuaastat. Sellest hoolimata on proovi töötlemisest ja selle mõõtmisest tulev statistiline määramatus vaid väike osa lõplikust vanuse kujunemisest. Proovid, mille vanus ületab vanuse määramise piiri, ei saa dateerida. Põhjuseks on liiga väike alles jäänud radiosüsiniku aatomite hulk, mistõttu on proov tundlik settekeskkonnas, ettevalmistamisel või mõõtmisel kokkupuutuva 14C suhtes.
Kalibreerimine.
Kalibreerimise vajadus.
Dateeringuid võib väljendada kalibreeritud ja kalibreerimata vanustena. Töötlemata BP dateeringuid ei saa kasutada otse kalendriaastatega võrdlemiseks, kuna atmosfäärse radiosüsiniku tase ei ole olnud kogu dateeritava aja ulatuses rangelt konstantne. Taseme mõjutus on tingitud kosmilise kiirguse intensiivsuse variatsioonidest, mis omakorda on mõjutatud Maa magnetosfäärist. Lisaks on mitmeid olulisi süsiniku reservuaare: orgaaniline aine, ookeanid, ookeani põhjasetted ja settekivimid. Muutused Maa kliimas võivad mõjutada süsinikuvooge reservuaaride ja atmosfääri vahel, mis tingib muutusi seal olevate süsinikuisotoopide fraktsioneerumises.
Lisaks looduslikele protsessidele mõjutab radiosüsiniku taset ka inimtegevus. Alates tööstusrevolutsiooni algusest 18. sajandil kuni 1950. aastateni paisati fossiilkütuste põletamisega õhku suurtes kogustes süsihappegaasi, mis oma minimaalse radiosüsiniku sisaldusega alandas atmosfääris oleva 14C osakaalu. See on tuntud kui Suessi efekt ning mõjutab ka 13C isotoopi. Sellest hoolimata on atmosfäärse 14C osa peaaegu kahekordistunud seoses 1950. ja 1960. aastate tuumarelvakatsetustega.
Kalibreerimismeetodid.
Töötlemata radiosüsiniku vanuseid kalibreeritakse, et saada kalendriaastatele vastavaid tulemusi. Selleks on olemas standardsed kalibreerimiskõverad, mis põhinevad radiosüsiniku vanuste võrdlemisel erinevatest proovidest, mida on võimalik iseseisvalt dateerida ka teiste meetoditega. Levinumateks meetoditeks on puu aastaringide (dendrokronoloogia), süvaookeani setete, järvepõhjas tekkinud varvide (varvokronoloogia), korallide ja speleoteemide uurimine. Kalibreerimiskõverad ei ole sirgjooned, sisaldades kõrvalkaldeid perioodide kohta, mil radiosüsiniku määr atmosfääris erines normaalsest. Suuremad kõrvalkalded kõveral põhjustavad kalibreeritavas vanuses suuremat määramatust. Kalibreerimiskõvera ulatus ja täpsus, sealhulgas ka määramatuse suurus, on aastate jooksul paranenud. Kui 2004. aasta versioon võimaldab suhteliselt täpselt kalibreerida kuni 26 000 aasta vanuseid proove, siis 2009. aasta standardit INTCAL09 kasutades saab suurema täpsusega kalibreerida kuni 50 000 aasta vanuseid proove.
Kalibreeritud vanused esitatakse kujul X±Y cal 14C a. BP. Radiosüsiniku dateerimistäpsus antakse 1-sigma tasemel, mis tähendab, et näiteks 14C vanuse 1000±100 puhul on 68% tõenäosusega objekti vanus 900 ja 1100 aasta vahel ja 95% tõenäosusega 800–1200 aastat BP.
Reservuaariefekt.
Teatud juhtudel näivad proovidest tehtud dateeringud uuritava organismi vanusest vanemad. See võib olla põhjustatud organismi eluajal tarbitud eeldatavast süsiniku isotoopkoostisest väiksema 14C sisaldusega süsinikust: