Węgiel jest powszechnie występującym pierwiastkiem na Ziemi. Tworzy liczne połączenia, głównie z wodorem i tlenem. Znane są trzy izotopy węgla: 12C, 13C oraz 14C. Ostatni z nich ze względu na właściwości radioaktywne, nazywany jest potocznie radiowęglem. Najważniejszym jego zastosowaniem jest ustalanie wieku utworów geologicznych oraz obiektów archeologicznych. Ponadto radiowęgiel wykorzystuje się do badania zmian środowiska naturalnego.
Radioaktywność izotopu węgla 14C
Izotopami nazywa się zbiór atomów tego samego pierwiastka, które posiadają identyczne liczby masowe. Zdecydowana większość pierwiastków występujących w przyrodzie, posiada więcej niż jeden izotop. Ich właściwości potrafią być bardzo zróżnicowane. Również zawartości procentowe poszczególnych izotopów, znacznie się od siebie różnią.
Pierwiastkowy węgiel posiada trzy izotopy: 14C, 13C oraz 12C. Najpowszechniejszy jest 12C – ponad 98%. Znacznie mniej w przyrodzie jest 13C. Natomiast radioaktywny izotop węgla 14C występuje na Ziemi w najmniejszej ilości. Jego źródłem są reakcje jądrowe neutronów termicznych (pochodzenia kosmicznego), z jądrami azotu. Zachodzą w stratosferze. Izotop węgla 14C ulega spontanicznemu rozpadowi. W wyniku rozpadu beta, powstaje nie promieniotwórczy azot 14N, elektron oraz antyneutrino. Z czasem, zawartość radioaktywnych izotopów 14C w materiale spada. Zmniejsza się również intensywność wytwarzanego przez niego promieniowania. Czas, po którym zawartość radioaktywnego węgla maleje o połowę, określa się, jako okres połowicznego rozpadu (charakterystyczny dla pierwiastków promieniotwórczych). Dla izotopu węgla 14C wynosi on 5730 lat. Zatem po upływie tego czasu, z jednej porcji radioaktywnego 14C pozostaje jego połowa.
Datowanie radiowęglowe
Spora część izotopu węgla 14C, który jest zgromadzony w atmosferze, ulega utlenieniu do postaci 14CO. Gdy forma ta wejdzie w reakcję z rodnikiem hydroksylowym (OH), ulega dalszemu procesowi utlenienia do 14CO2. Dwutlenek węgla, 14CO2 z kolei przedostaje się z atmosfery do biosfery i hydrosfery (w wyniku np. dyfuzji, rozpuszczania, fotosyntezy). Radiowęgiel 14C wchodzi w skład wielu związków organicznych. Asymilują się one w roślinach lub rozpuszczane są w wodzie oceanicznej. Koncentracja izotopu 14C w atmosferze jest kilkukrotnie większa niż np. w głębinach oceanu. W ten sposób staje się naturalnym znacznikiem izotopowym. Z jego pomocą możliwe jest śledzenie zmian, jakie zachodzą w środowisku naturalnym.
Jednym z najważniejszych zastosowań izotopu 14C jest tak zwane datowanie radiowęglowe. Dwutlenek węgla, zawierający radioaktywny 14C wnika we wszystkie istoty żywe – rośliny i zwierzęta. Organizmy uczestniczą w cyklu wymiany radiowęgla z biosferą. Wtedy zawartość izotopu 14C jest stała. Zmienia się to w momencie śmierci organizmu. Gdy organizm zamiera, nie pobiera już dłużej węgla 14C, więc jego zawartość systematycznie spada. Zanik tego izotopu odbywa się w tempie określonym prawem jego rozkładu (rozpad atomów 14C w czasie, przyjmuje postać funkcji wykładniczej). Przytoczone założenie stało się podstawą do określania wieku znalezisk archeologicznych, które jest nazywane datowaniem radiowęglowym (lub metodą węgla radioaktywnego). Porównanie stosunku zawartości 14C i 12C w obumarłej materii organicznej i w atmosferze pozwala na określenie wieku radiowęglowego (czas od momentu obumarcia organizmu, do chwili pomiaru). Konwencjonalny wiek radiowęglowy, jest określany dzięki porównaniu zawartości obu wymienionych izotopów węgla, w badanej próbce i w standardzie współczesnej biosfery.
Technika AMS pomiaru stężenia radiowęgla, 14C
Pomiar zawartości radioaktywnego węgla 14C w materiale jest skomplikowany oraz wymaga specjalistycznej aparatury, przez co cały proces jest kosztowny. Technika akceleratorowa, AMS, wykorzystuje fakt, że 14C jest nieznacznie cięższy w porównaniu do 12C (około 1,17 razy). Dokonywany jest także równoległy pomiar zawartości 13C. W technice AMS używane są akceleratorowe spektrometry masowe. Poszczególne elementy tego aparatu takie jak m.in. źródło jonów, akcelerator, magnes analizujący czy analizator elektrostatyczny, rozstawione są wzdłuż boków kwadratu o rozmiarach 5 x 5 m. W całości są jednolitą komorą wysokopróżniową o długości około 15 metrów. W aparacie można wyróżnić część nisko-energetyczną i wysoko – energetyczną.
Aby określić stosunek poszczególnych izotopów węgla, spektrometr AMS dokonuje pomiaru atomów 14C, 13C i 12C, które zostają uwolnione z katody (zrobionej z badanego materiału). Wytworzone w źródle jonów, jony węgla kierowane są do akceleratora. Tam są przyspieszane i trafiają do magnesu analizującego. Następnie znajdują się w tzw. komorze dryfu, która pozwala na pomiar prądu elektrycznego obu rodzajów jonów. Finalnie jony radioaktywnego izotopu węgla 14C po przejściu do analizatora elektrostatycznego, docierają do detektora umożliwiającego ich zliczenie. Spektrometr AMS jest niezwykle zaawansowanym urządzeniem. Wszystkie części aparatu oraz bieżące parametry pracy, są kontrolowane przez specjalne oprogramowanie komputerowe oraz mogą być sterowane z konsoli.