Anglies-14 istorija daug labiau jaudinanti, nei manote - kaip vieno mažo izotopo atradimas atskleidė praeities paslaptis ()
Prieš aštuoniasdešimt metų vieno mažo izotopo atradimas atskleidė praeities paslaptis.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Ankstyvą 1940-ųjų vasario 27-osios rytą, chemikas Martinas Kamenas sėdėjo šaltoje, tamsioje policijos nuovadoje. Susivėlusį mokslininką, kuris buvo pernelyg pavargęs, kad protestuotų, sulaikė netoli jo laboratorijos Kalifornijos universitete Berklyje, ir nugabeno jį į apklausai. Jis buvo kaltinamas praeitą vakarą įvykdyta žmogžudyste.
Bet policija negalėjo nusikaltimų prikabinti Kamenui, nes mokslininkas pastarąsias tris dienas buvo užsirakinęs laboratorijoje, kur drauge su kolega chemiku Samueliu Rubenu deuterio branduoliais apšaudė mažą grafito bandinį. Paleistas Kamenas trumpam užsuko namo numigti, grįžo į laboratoriją ir tada atliko vieną svarbiausių XX amžiaus atradimų: anglies-14 izotopą.
„Visa gyvybė sudaryta iš anglies,“ Popular Mechanics sako atmosferos chemikas Markas Thiemensas iš Kalifornijos universiteto San Diege. „Atmosferoje yra anglies dioksido. Jis yra fotosintezės proceso dalis — iš anglies dioksido augalai gamina deguonį. Norint ką nors suprasti biologijoje, reikia pradėti nuo anglies.“
Nepaneigiama chemija
Kamenas buvo vunderkindas. Gimęs 1913 Toronte jis buvo itin talentingas muzikantas — grojo smuiku ir altu, eksternu baigė vidurinę mokyklą. Pinigus chemijos studijoms Čikagos universitete jis rinko, grodamas muziką Čikagos baruose. Įgavęs filosofijos daktaro laipsnį, ir norėdamas pakeisti aplinką, Kamenas perėjo į Kalifornijos universitetą Berklyje, kur jo vadovu buvo žymus fizikas E.O. Lawrence.
Lawrence'o laboratorijoje jis sutiko talentingą chemiką ir boksininką Samuelį Rubeną. Rubenas buvo pasinėręs į biocheminės mįslės sprendimą. Mokslininkai žinojo, kad vykstant fotosintezei, augalai išskiria deguonį. Bet iš kur? Ar iš anglies?
Kamenas ir Rubenas savo eksperimentus atliko, naudodami keistai atrodančią mašiną – ciklotroną. Apskritoje kameroje atomai buvo įgreitinami „iki kelių procentų šviesos greičio“, siekiant sukurti naujus branduolius ir jonus, sako Johnas Marra, knygos Hot Anglis: Anglis-14 and a Revolution in Science autorius. Šį subatominį koliziejų sudarė tuščiaviduriai elektrodai tarp dviejų didelių elektromagnetų.
Savo eksperimentus mokslininkai turėjo atlikinėti naktimis — tik tada mašina būdavo laisva. Dieną ji buvo naudojama labiau prioritetiniams projektams, skirtiems vėžio gydymui. Apšvitindami grafitą ciklotrone, jie sugebėjo išskirti izotopą, ir visam laikui pakeisti mūsų supratimą apie gyvybę ir pagrindinius jos statybinius blokus.
Atominė meilė
Mokslininkus itin domino elementų izotopai: atomai–dvyniai, kurių branduoliuose po tiek pat protonų, tačiau skirtingas skaičius neutronų. Į Žemės atmosferą įskriejantys kosminiai spinduliai bombarduoja didžiausią mūsų atmosferos dalį sudarančias dujas — azotą — neutronais, dėl ko jie praranda protoną ir virsta skirtingais izotopais.
Anglis turi tris natūralius izotopus. Izotopų atominės masės šiek tiek skiriasi, tad juos galima identifikuoti. Anglies-12 branduolyje yra šeši protonai ir šeši neutronai. Anglis-13 turi vieną papildomą neutroną. Anglis-12 yra labiausiai paplitęs ir, kaip ir anglis-13, visiškai stabilus izotopas.
Tuo tarpu anglis-14, yra anglies šeimos balta varna. Ji – rečiausias anglies izotopas – pasitaiko vos vienas tarp trilijono anglies atomų. Jo branduolyje prie šešių protonų glaudžiasi aštuoni neutronai. Dėl neutronų pertekliaus šis izotopas radioaktyvus ir pamažu, bet išmatuojamu tempu, skyla į azotą–14. Iš esmė, šis izotopas veikia kaip radioaktyvus laikmatis.
Anglies-14 skilimo pusperiodis yra 5 730 metų, o tai reiškia, kad kas beveik 6 000 metų organiniame bandinyje, tarkime, kaule, ar medyje jo lieka dvigubai mažiau. Kadangi seserinio anglies-14 izotopo, anglies-12, atmosferoje yra tiek daug, augalai jį naudoja fotosintezei, ir jis atsiduria praktiškai visuose gyvuose organizmuose. Mokslininkai gali paimti medžiagos mėginį ir ištirti stabilių anglies-12 dalelių santykį su skylančiomis anglies-14 dalelėmis.
Paskaičiuokite patys!
Bandinių radioaktyviojo skilimo tempui matuoti mokslininkai dažnai naudoja šias formules:
\[N_{(t)}=N_{₀}e^{-kt}\]\(N_{(t)}\) yra anglies-14 izotopo atomų skaičius bandinyje praėjus laikui.
\(N_0\) – anglies-14 izotopo atomų skaičius bandinyje, kai jis mirė.
\(^t\) – laikas, ieškomas kintamasis.
\(^{-k}\) – radioaktyviojo skilimo konstanta.
Tada susiesime skilimo konstantą su pusėjimo laiku, panaudodami pirmosios eilės kinetiką:
\[k=\frac{ln2}{t_{½}}\]
Taip tempo konstanta yra:
\[k=\frac{ln2}{5,73×10^3}=1,21×10^{-4} m. ^{-1}\]
Taigi, pirmąją lygtį galime užrašyti taip:\(N_{(t)}=N_{(0)}e^{−ln2\frac{t}{t_{½}}} \)
Šio santykio matavimas buvo kritiškai svarbus, aiškinantis antropologijos, archeologijos, paleontologijos ir daugybės kitų sričių paslaptis. Bet Kameno ir Rubeno atradimas nepaplito iki 1946 metų, kai Čikagos universiteto chemijos profesorius Willard Frank Libby sugalvojo, kaip anglį-14 panaudoti organinių medžiagų datavimui.
Savo bandymuose jis palygino anglies-14 pėdsakus dviejuose bandiniuose: dujose iš iškastinio kuro, kuriame dėl amžiaus anglies-14 neturėjo būti, ir šviežiame mėginyje iš Baltimorės nuotekų sistemos.
1960 metais Libby buvo apdovanotas Nobelio premija chemijos srityje.
Archeologo svajonių pasimatymas
Anksčiau archeologai ir antropologai bandinių galimą amžių nustatydavo santykinio datavimo metodu. Jie vadovavosi geologiniu įrašu: giliau esantys objektai tikriausiai senesni už esančius arčiau paviršiaus.
„Staiga tai, kas buvo „santykinai anksčiau“ ar „santykinai vėliau“, galėjo būti susieta su konkrečiu laiku, ir tai galima buvo atlikti santykinai tiksliai,“ sako Kurin.
Pasinaudodami apdovanotuoju izotopu, mokslininkai įvertino senovinių piešinių ant vapsvų lizdais apkibusių olų sienų amžių; nustatyta, kada gyveno paslaptingasis eneolito žmogaus Ötzi, kurio sušalęs mumifikuotas kūnas buvo atrastas Austrijos Alpėse; ir atsekamas senovės civilizacijų migravimas.
„Bendra taisyklė, kad jei norima išmatuoti procesą radioaktyviu laikmačiu, [izotopo] pusėjimo laikas turi daugmaž atitikti matuojamą procesą,“ sako Thiemensas. „Kai norėta patikrinti Turino drobulės autentiškumą, anglis-14 tiko idealiai.“
Tai iliustruoja ir vieną iš datavimo radioaktyviąja anglimi silpnybių: jis tinkamas tik naujesniems, nei ~55 000 metų bandiniams. Senesniuose bandiniuose nebėra likę pakankamai anglies-14.
„Jei organinių bandinių amžius mažesnis, nei 50 000 metų, toks datavimas yra aukso standartas,“ Popular Mechanics sako bioarcheologė Danielle Kurin iš Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje. „Neįtikėtina, kad kad mums prieinamos šios praeities liekanos.“
Datavimas dabartiniais laikais
Dabar bandinyje esantys anglies-14 atomai daugumoje laboratorijų skaičiuojami masės spektrometru-greitintuvu (AMS). Šiose itin specializuotose mašinose tiksliam matavimui užtenka daug mažiau bandinio — vos vieno miligramo, kai tuo tarpu ankstesniems radioaktyvios anglies datavimo metodams reikėjo 50 miligramų.
O trapių bandinių atveju toks skirtumas gali daug lemti. „Kai renkame organinės medžiagos pavyzdžius, – plunksnų ar audinių, ar žmonių palaikų, – norime padaryti kuo mažiau žalos,“ sako Kurin. Tačiau daugeliu atvejų bandiniai būna itin brangūs ir visada lieka nerimas, kad anglis galėjo patekti iš aplinkos.
Monumentalūs Žemės atmosferos chemijos pokyčiai gali padėti mokslininkams geriau apibrėžti radioaktyvios anglies datavimo metodu gautas datas. Mokslininkai išmoko kalibruoti savo duomenis su kitomis datavimo technikomis gauta informacija. Anglies kiekis atmosferoje ne visada buvo toks pats. Pasinaudojant laiko skaičiavimu pagal medžių rieves – dendrochronologija, – galima apibrėžti iki 11 000 metų senumo datas.
JAV ir kitoms šalims pradėjus branduolinių ginklų bandymus, atmosferos sudėtis pasikeitė visiems laikams. Branduoliniai sprogmenys į atmosferą išmetė naujų izotopų, tarp kurių ir anglis-14. Mokslininkai anglies-14 datavimo metodu aptiko padirbtą škotišką viskį, kuris, kitaip, nei parašyta etiketėje, buvo pagamintas jau po branduolinių ginklų bandymų.
Kadangi dabar į atmosferą anglies dvideginio išmetame daugiau, nei kada nors anksčiau, mokslininkams teks būsimus matavimus sukalibruoti, atsižvelgiant į emisijų įtaką.
Datavimas ant plono ledo
Anglies izotopai panaudojami ir kitur. Pavyzdžiui, klimatologijoje jie neįkainojami. Tokie mokslininkai kaip Thiemensas, ieško senoviniame lede įstrigusių oro burbuliukų, padedančių geriau suprasti priešistorinių laikų aplinką. Stabilūs anglies izotopai pateikia mokslininkams užuominas, koks buvo Žemės klimatas prieš milijonus metų. Pasitarnauja netgi radioaktyvi, greitai skylanti anglis-14.
Kai uolienas pradeda veikti aplinka – dėl atmosferos kritulių, vėjų, atsitraukiančių ledynų ar ugnikalnių išsiveržimų – jas pradeda veikti ir kosminė radiacija ir, savo ruožtu, anglis-14. Matuodami tam tikrame bandinyje rastos anglies-14 kiekį, mokslininkai gali nustatyti ledyno atsitraukimo greitį.
„Mums taip pasisekė, kad turime šį anglies izotopą.“
Ir, žinoma, – kaip Rubenas ir numatė – tyrėjai, naudodami anglį-14, gali sekti visą anglies ciklą – augalai patalpinami kameroje su žinomu anglies dvideginio kiekiu, ir sekama, kiek šių dujų augalas sugeria. Tokie eksperimentai padeda mokslininkams geriau suprasti, kaip augalai pasiima anglies dvideginį iš oro – o tai kritiškai svarbu, modeliuojant klimato kaitą.
Pakilimas, Kritimas, Išsigelbėjimas
Anglies-14 svarbą net ir po 80 metų nuo jos atradimo sunku pervertinti. Nors šis izotopas fundamentaliai pakeitė ištisas mokslo sritis ir mūsų supratimą apie praeitį, jo kūrėjams taip nepasisekė.
Samuelis Rubenas, deja, žuvo, po trijų metų nuo garsiojo atradimo. Antrą darbo Mokslinių tyrimų ir vystymo biuro dieną, sudužus mėgintuvėliui, jis apsinuodijo mirtinomis fosfino dujomis.
Po kelių metų, po pietų su Rusijos diplomatu, Kamenas buvo apkaltintas dar vienu nusikaltimu, kurio neįvykdė – šį kartą tai buvo šnipinėjimas. Jis buvo atleistas iš Berklio ir 1948 metais jį apklausė Antiamerikietiškos veiklos tyrimo komisija. Kamenas reputaciją valė daug metų ir vėliau dirbo Vašingtono universitete, St. Louiso, Brandeis universitete, ir Kalifornijos universitete San Diege. 1995 metais JAV Energijos Departmentas jį apdovanojo presitižine Enrico Fermi premija už viso gyvenimo mokslo pasiekimus. Kamenas mirė 2002 metais.
„Datavimo radioaktyviąja anglimi metodu galime nustatyti, kada imperijos kilo ir kada žlugo, ir susieti aplinkos makrofluktuacijas susieti su tam tikru laiko momentu, kai vyko didieji kultūriniai pokyčiai,“ sako Kurin. „Mums taip pasisekė, kad turime šį anglies izotopą.“
* pirmosios eilės reakcija yra tokia, kurios vykimo tempas tiesiškai priklauso tik nuo vieno reagento koncentracijos.