Radiohiiliajoitus

Radiohiiliajoitus on yleisimmin käytettyjä ajoitusmenetelmiä sekä arkeologisessa että luonnontieteellisessä tutkimuksessa. Menetelmällä voidaan ajoittaa kaikenlaista eloperäistä eli orgaanista materiaalia, esimerkiksi arkeologiselta kaivaukselta löytyneen nuotiohiilen kappaleita, luuainesta tai suoturvetta. Radiohiiltä voidaan käyttää noin 500–60 000 vuotta vanhaan materiaaliin.

Menetelmä perustuu siihen, että ilmakehässä esiintyy kolmentyyppisiä hiiliatomeita (C), jotka muodostavat kemiallisia yhdisteitä samalla tavalla. Kaikissa isotooppityypeissä on kuusi protonia, mutta neutroneita on 12, 13 tai 14, minkä vuoksi ne ovat atomipainoltaan erilaisia. Neutroniluvun mukaan eri hiilen isotoopit ovat kemialliselta merkiltään muotoa 12C, 13C, 14C (voidaan merkitä myös:C–12, C–13 ja C–14). Kevyimmät hiili-isotoopit , 12C ja 13C, ovat pysyviä eli stabiileja isotooppeja ja 14C on epästabiili eli hajoava isotooppi. Maapallolla 12C on yleisin hiilen isotooppi, kun taas epästabiilia radioaktiivista hiiltä eli radiohiiltä (14C) on erittäin pieniä määriä, vain triljoonasosa 12C:n määrästä. Radiohiiliajoitus perustuu epästabiilin 14C-isotoopin hajoamiseen tunnetulla nopeudella: noin puolet tästä isotoopista on hajonnut n. 5 730 vuoden kuluttua eliön kuoltua.

Radiohiiltä muodostuu ilmakehän ylemmissä kerroksissa, jolloin auringosta lähtöisin oleva kosminen säteily eli ”aurinkotuuli” aikaansaa ilmakehässä olevien vapaiden neutronien pommituksen yläilmakehän atomien ytimiin. Näissä reaktioissa typpiatomeista häviää yksi protoni ja muodostuu 14C-isotooppia ja vetyä. Radiohiili-isotooppi reagoi nopeasti hapen kanssa muodostaen 14CO2-molekyylejä, jotka sekoittuvat ilmakehässä tasaisesti ”normaalien” 12CO2-molekyylien kanssa.

Radiohiilikello

Ilmakehän hiilidioksidin erilaiset hiiliatomit sitoutuvat kasvien solukoihin ja eläinten kudoksiin orgaanisiksi yhdisteiksi yhteyttämisprosessin (fotosynteesi) ja hengityksen myötä. Siten kaikki maapallon eläimet ja kasvit ovat radioaktiivisia, sillä näiden solukoissa ja kudoksissa on aina hyvin pieniä määriä radioaktiivista hiili-isotooppia. Eliön eläessä radiohiilin määrä on tasapainotilassa ilmakehän radiohiilipitoisuuden kanssa, sillä hiilidioksidia poistuu eliöstä tasaisesti hengityksen ja solujen kuoleman kautta. Kun eliö kuolee hiilidioksidin sitoutumien ilmakehästä loppuu. Tällöin radiohiili-isotooppi alkaa hajota: radiohiilikello käynnistyy.

Kun tunnetaan ilmakehän 12CO2 pitoisuus ja 14C-isotoopin hajoamisnopeus (puolet radiohiilen määrästä on hajonnut n. 5500 vuodessa) voidaan laskea näytteen radiohiili-ikä saadaan suhteuttamalla näytteen 12C ja 14C osuudet toisiinsa. Todellisuus ei kuitenkaan ole näin yksinkertainen, vaan radiohiiltä on syntynyt eri aikoina eri määriä, sillä kosmisen neutronisäteilyn määrä on vaihdellut. Tämän vuoksi radiohiilimittauksen tulokset on aina kalibroitava erilasten kalibrointikaavojen avulla, jotta ajoitus vastaa kalenterivuosia. Kalibrointikaavat on puolestaan saatu mittaamalla esimerkiksi hyvin pitkäikäisen vihnemännyn (Pinus longaeva) vuosilustot ja näistä lustoista puolestaan radiohiilen määrä.