Massespektrometri og kulstof-14-datering Opgavehæfte AMS 14 C Daterings Center Institut for Fysik og Astronomi, Aarhus Universitet
JO\ AUG 2004 BP\FEB 2010 Opgaverne 5,6 og 7 er hentet eller modificeret fra Kaare Lund Rasmussen Kulstof-14 datering, Munksgaard 1994.
Indholdsfortegnelse Opgave 1 Måling af nitrogen og kulstof isotoper 2 Opgave 2 Fortolkning af Jeres målinger... 4 Opgave 3 14 C Kalibrering I 6 Opgave 4 14 C Kalibrering II 7 Opgave 5 14 C Reservoir korrektioner med stabile isotoper 8 Opgave 6 Radioaktivt henfald I 10 Opgave 7 Radioaktivt henfald II 10 Opgave 8 Syntetisk eller rigtig juice 10 Nyttige formler 11
2 Massespektrometri og kulstof-14-datering Opgave 1 Måling af nitrogen og kulstof isotoper Masse spektrometeret måler på gasmolekyler af nitrogen (N 2 ) og kuldioxid (CO 2 ). Nitrogen har 2 stabile isotoper, nemlig 14 N og 15 N. Nitrogen N 2 kan derfor bestå af to 14 N atomer (masse 28) eller to 15 N atomer (masse 30), men også af et 14 N og et 15 N atom (masse 29). Kuldioxid derimod er sammensat af både kulstof og oxygen. Kulstof har to stabile isotoper 12 C og 13 C, hvorimod oxygen har tre, 16 O, 17 O og 18 O. Kombinationsmulighederne for kuldioxid molekyler er derfor meget større spændende fra masse 44 og helt op til masse 49. Det findes 12 forskellige muligheder og de mest forekommende er vist i tabellen. Nitrogen molekylet 15 N 15 N og kuldioxid molekyler fra masse 47 til 49 er så sjældne at de ikke måles. Tabellen viser også den naturlige forekomst af de sammensatte molekyler. På spektret angiver strømmen hvor mange partikler der detekteres per tid. Der er ikke kun toppe fra prøven, men også de firkantede referencegas-toppe. Efter toppene fra den ene gasart er færdig målt, skiftes indstillingerne (ved den stiplede linje) og den anden gasart kan måles. a) Se på spektret: hvilken gasart måles først (tabellen kan hjælpe)? b) Brug nedenstående tabel til at finde masse 28 og 29 for nitrogen og masse 44, 45 og 46 for kuldioxid i spektrene idet du lægger mærke til stømstyrkerne på y-aksen. Masse Isotoper Masse Naturlig forekomst 28 14 N 14 N 28.006 99.265% 29 14 N 15 N 29.003 0.367% 44 12 C 16 O 16 O 43.990 98.450% 98.450% 45 12 C 16 O 17 O 44.994 0.075% 1.140% 13 C 16 O 16 O 44.993 1.065% 46 12 C 17 O 17 O 45.998 0.000% 0.405% 13 C 16 O 17 O 45.997 0.001% 12 C 16 O 18 O 45.994 0.405%
Opgavehæfte 3
4 Massespektrometri og kulstof-14-datering Opgave 2 Fortolkning af Jeres målinger... 1 Indtegn de målte δ 13 C og δ 15 N værdier på det udleverede plot, og prøv at give en fortolkning på jeres resultater. 2 Isotop-endepunkterne for 100% terrestrisk og for 100% marin kost er angivet nedenfor. Udregn den procentvise andel af marin kost på jeres målinger. Passer det nogenlunde med virkeligheden? Terrestrisk endepunkt (100% terrestrisk) Marint endepunkt (100% marin) δ 13 C = -21 VPDB δ 13 C = -12 VPDB 3 Hvad kan δ 15 N fortælle om jeres målinger? 4 Den grønne kasse (i nederste venstre hjørne) på plottet viser det område hvori 22 målinger på køer falder indenfor. Forklar hvorfor netop køer har isotopværdier der falder indenfor det angivne område? 5 Gennemsnitværdien for kvælstof for alle køerne er δ 15 N = 3.7 AIR. Indtegn de terrestriske fødekædeniveauer ovenfor den grønne kasse. 6 Hvor vil du forvente et menneske, der kun har spist køer, vil være på plottet? 7 Den blå kasse (i øverste højre hjørne) viser 45 målinger på eskimoer. Antag, at eskimoer kun spiser fisk. Giv da et bud på den δ 13 C og δ 15 N værdi, de fisk vil have hvis det skal passe til eskimoerne.
Opgavehæfte 5
6 Massespektrometri og kulstof-14-datering Opgave 3 14 C Kalibrering I En prøve er dateret til 1000 ± 75 BP (=målte ukorrigerede 14 C år før 1950, på y-aksen). Brug nedenstående figur til at kalibrere resultatet. a) Find den kalibrerede alder for middelværdien og find det interval i kalender år (= rigtige år, på x-aksen), der svarer til intervallet fra middelværdien plus/ minus en standardafvigelse. b) Lav en præcis kalibrering med OxCal. Tast 1000 ind i feltet Date og 75 i feltet ±. Curve IntCal09 skal bruges og er default-indstillingen. Klik på calibrate. Du kan vælge oppe på siden om du vil se resultatet som tabel eller figur (fx single plot).
Opgavehæfte 7 Opgave 4 14 C Kalibrering II En prøve er dateret til 930 ± 75 14 C år før 1950. Brug nedenstående figur til at kalibrere resultatet. a) Find den kalibrerede alder for middelværdien og find det interval i kalender år, der svarer til intervallet fra middelværdien plus/ minus en standardafvigelse. b) Lav en præcis kalibrering med OxCal.
8 Massespektrometri og kulstof-14-datering Opgave 5 14 C Reservoir korrektioner med stabile isotoper Da man udgravede Herjolfsnes kirkegård på øst Grønland fandt man tre individer i deres respektive ligtøj. Individerne blev vurderet til at være samtidig begravet. Både individer og tekstil blev 14 C dateret. Samhørende 14 C dateringer af individ og tekstil er vist i nedenstående tabel. Ligeledes er også de kalibrerede aldre af de 3 tekstiler vist i en figur. Kalibrer med OxCal de tre individer, og giv en forklaring på hvorfor samhørende individer og tekstil ikke nødvendigvis vil få den samme 14 C alder. Beregn ved brug af δ 13 C isotop-endepunkterne for 100% terrestrisk og 100% marin fødeindtag individernes procentvise marine fødeindtag. Da havet har en 14 C alder på 400år vil mennesker med en udelukkende marin kost indtage føde, der i en kulstof-14 sammenhæng er 400 år gammelt. Anvend de udregnede procent marin værdier for de tre individer til at korrigere den målte 14 C alder. Kalibrer den korrigerede 14 C alder med OxCal. Hvordan er overensstemmelsen nu mellem samhørende individer og tekstil? AAR Prøve 14 C Alder δ 13 C 1271 Menneske 767 ± 45 16.3 1290 Tekstil 553 ± 45 22.1 1269 Menneske 899 ± 84 14.4 1289 Tekstil 480 ± 43 22.3 1270 Menneske 750 ± 56 16.2 1288 Tekstil 480 ± 60 21.8
Opgavehæfte 9
10 Massespektrometri og kulstof-14-datering Opgave 6 Radioaktivt henfald I Hvor lang tid går der, inden 90% af et radioaktivt stof er omdannet, når halveringstiden er 1 døgn? Opgave 7 Radioaktivt henfald II Aktiviteten af et præparat af en radioaktiv isotop falder i løbet af 10 år til 1% af den oprindelige aktivitet. Hvor lang tid går der yderligere, inden aktiviteten er faldet til 1 promille af den oprindelige? Opgave 8 Syntetisk eller rigtig juice Hvis orange juice fortyndes med vand og samtidig tilsættes den syntetisk fremstillede aminosyre glycin, så er det svært at afsløre, at der har fundet en fortynding sted. I 1972 mistænkte Statens Husholdningsråd et par græske juicefirmaer for at fortynde orange juice med vand og tilsætte syntetisk glycin. I første omgang måtte Statens Husholdningsråd trække sin påstand tilbage på grund af mangel på fuldstændigt sikkert bevis. Men så blev glycin og frugtkød isoleret fra juicen og 14 C dateret som to separate prøver. Dateringen af frugtkødet viste en moderne alder. Dateringen af glycin-prøven viste en aktivitet svarende til 5.65% af den moderne værdi (1950). Udregn 14 C alderen for glycin-prøven. Forklar hvorfor de to dateringer er forskellige. Glycin anvendes som et surhedsregulerende middel og som smagsforstærker i fødevare (E640)
Opgavehæfte 11 Nyttige formler Henfaldsloven t A = A0 exp ln 2 τ Dateringsformel uden isotopkorrektioner: Dateringsformel med isotopkorrektioner: En 14 C måling kan også angives i pmc (percent modern carbon procent nutidigt kulstof). Procent nutidigt kulstof giver prøvens aktivitet i procent i forhold til 14 C aktiviteten i 1950. pmc værdier under 1 betyder altså før 1950 og pmc værdier over 1 betyder efter 1950. Den procentvise andel af marin kost kan udregnes således:
BESØG OS PÅ WWW.C14.DK