hiili-14

Ihme ja kumma: Taidemuseo Louvren kellarissa on hiukkaskiihdytin.

Ma, 01/09/2017 - 10:02 Jari Mäkinen

Hiukkaskiihdyttimistä tulee yleensä mieleen hiukkasfysiikka ja luonnon pienimpien mysteerien tutkiminen. Todellisuudessa hiukkaskiihdyttimillä tehdään paljon muutakin: niillä voi valmistaa esimerkiksi lääketieteessä tarvittavia radioaktiivisia aineita, niitä voi käyttää ikään kuin mikroskooppeina sekä aineanalysaattoreina. Tutkittavat kohteet voivat olla niin korvaamattomia taide-esineitä kuin biopolttoainettakin.

Otsikkokuvassa tutkitaan vanhaa taulua Firenzessä, Italissa olevalla LABEC-kiihdyttimellä

LABEC tulee sanoista Laboratorio di Tecniche Nucleari per i Beni Culturali, eli jotakuinkin "Ydintekninen laboratorio kulttuuriperintöä varten", ja tämä kertoo mitä laitos tekee: käyttää ydintekniikkaa vanhan taiteen sekä muun sellaisen tutkimiseen.

Järeimmillään tämä tarkoittaa sitä, että esimerkiksi taulua pommitetaan hiukkaskiihdyttimellä synnytetyllä hiukkassuihkulla, ja kun hiukkaset reagoivat taulussa olevan aineen kanssa, syntyy uusia hiukkasia, ja näitä analysoimalla voidaan saada selville monenlaisia asioita käytetyistä materiaaleista aina eri kerroksiin näkyvän pinnan alla. 

Kopiot ja väärennökset paljastuvat yleensä helposti materiaalitutkimuksen keinoin.

Taulujen lisäksi samaa menetelmää voidaan käyttää patsaisiin, veistoksiin ja vaikkapa rakennusten osiin. Esimerkiksi arkeologisia löytöjä tutkittaessa voidaan myös määrittää varsin tarkasti niiden ikä.

Toinen kuuluisa taidekäytössä oleva hiukkaskiihdytin on hieman yllättävässä paikassa: Pariisissa Louvre-museon kellarissa. Museon kävijät eivät varmastikaan tule ajatelleeksi sitä, että legendaarinen taidemuseo on myös ydinlaboratorio.

AGLAE
AGLAE käytössä
Louvren hiukkaskiihdytin tunnetaan nimelllä AGLAE, eli  Accélérateur Grand Louvre d'analyse élémentaire, "Suuri Louvren alkeishiukkasanalyysikiihdytin".

Vaikka keskisen Euroopan maissa on runsaasti kulttuuriperintöä, riittää laitteilta tutkimusaikaa myös tieteelle. Niillä voidaan tutkia mm. biologisia ja fysikaalisia näytteitä, analysoida melkein mitä tahansa ja myös esimerkiksi tuottaa avaruussäteilyä vastaavaa säteilyä, jonka avulla voidaan testata elektronisten laitteiden säteilynsietokykyä.

Pariisin AGLAE on teholtaan 2 MeV ja Firenzen LABEC 3 MeV, eli kiihdyttiminä ne eivät ole huiman voimakkaita, mutta käyttötarkoitukseensa täysin sopivia.

Samankaltaista työtä tehdään myös Suomessa

Helsingin yliopiston Luonnontieteellisellä keskusmuseolla Luomuksella ja matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan fysiikan laitoksella on näiden yhteisesti pyörittämä Ajoituslaboratorio, joka tekee tutkimusta muun muassa Fysiikan laitoksen TAMIA hiukkaskiihdyttimellä, jota käytetään massaspektrometrinä samaan tapaan kuin taidetutkimuksessa.

Olennaisin käyttömuoto on radiohiilimääritys: radiohiilen (14C) määrän tarkka selvitys auttaa selvittämään näytteen ikää ja alkuperää.

Hyvän erimerkin tämän menetelmän monikäyttöisyydestä tarjoaa tapaus, missä Ajoituslaboratorioon saapui ulkomaiselta asiakkaalta polttoainenäyte, jonka bio-osuudeksi mitattiin matala 2,7 % arvo.

Asiakkaan kanssa keskusteltaessa kävi ilmi, että näytteen toimittanut yritys oli väittänyt polttoaineen sisältävän biopolttoainetta 80 %.

Polttoaineen bio-osuus voisaan sekin määrittää radiohiilen avulla, koska se kulkeutuuu ravintoketjun kautta ilmakehästä eliöihin.

Kaikkeen biomassaan – eli kaikkeen elolliseen – kertyy ilmakehän radiohiiltä fotosynteesin ja ravintoketjun kautta. Eliön kuoltua radiohiiltä ei enää kerry, vaan sen määrä alkaa laskea siten, että fossiilisesta materiaalista radiohiiltä enää löydetä. Biopolttoaine on valmistettu eloperäisestä aineesta, jolloin siitä löytyy aina myös radiohiiltä.

Bio-osuus selviää, kun määritetään missä osuudessa näytettä radiohiiltä on jäljellä. Voidaan esimerkiksi määrittää, kuinka paljon fossiiliseen dieseliin on sekoitettu bioperäistä uusiutuvaa dieseliä tai voidaan varmistaa, onko bioetanoli-bensiinisekoituksen etanoli todellisuudessa bioperäistä.

Bio-osuuksien määritysmenetelmää voidaan hyödyntää myös esimerkiksi voimalaitosten savukaasujen analysointiin. Piipusta ulos puskevasta savusta otetusta hiilidioksidinäytteestä voidaan mitata, kuinka paljon biopolttoainetta voimalaitos on polttanut tietyllä aikavälillä tai selvittää biomuovien bio-osuuksia. Käytännössä menetelmällä voidaan mitata mitä tahansa materiaalia, joka sisältää hiiltä.

Järein Suomessa oleva hiukkaskiihdytin on Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorion K-130, jonka teho on nimen mukaisesti 130 MeV. Jyväskylässä on myös Louvren ja Firenzen kiihdyttimien tyyppinen, materiaalifysiikan tutkimuksessa käytettävä laitteisto, jonka teho on 1,7 MeV.

Samankaltaisia kiihdyttimiä on monissa paikoissa ympäri maailman – ne eivät ole harvinaisuuksia, vaikka taiteelle pyhitetyt laitokset ovatkin.

Kuvat: LABEC, Wikipedia, CNRS / A. Cheziere ja Helsingin yliopisto / Marika Turtiainen

Hiili-14 - Berkeleyn Nobel-koneen tuotos

To, 02/27/2014 - 13:54 Jari Mäkinen
Berkeleyn 60-tuumainen synklotroni

Erilaisten arkeologisten, geologisten ja paleontologisten sekä monien muiden historiallisten löytöjen ajoitus oli hankalaa aina vuoteen 1949 saakka, kun radiohiiliajoitus keksittiin. Sen keksimistä edelsi kuitenkin toinen löytö, jonka synty on helppo ajoittaa: hiilen radioaktiivinen isotooppi 14C löydettiin tänään 74 vuotta sitten.

Fyysikot Martin Kamen ja Sam Ruben olivat tyytyväisiä, kun Franz Kurien jo vuonna 1934 ennustama isotooppi pulpahti odotetusti esiin 27. helmikuuta 1940.

Löytö tehtiin Kalifornian yliopiston kuuluisassa Berkeleyn kampuksella sijaisevassa säteilylaboratoriossa, missä olivat maailman ensimmäiset syklotronit. Ernest Lawrence rakensi ensimmäisen sellaisen 1924 valmistaakseen keinotekoisia alkuaineita, isotooppeja, joita ei luonnossa ole sellaisinaan olemassa. Nämä isotoopit ovat käytännössä aina radioaktiivisia, sillä ne aktiivisuutensa vuoksi ne hajoavat toisiksi isotoopeiksi, eikä siksi niitä luonnosta juuri tavata. Koska työ oli fysiikan ja kemian rajamailla, ei Lawrence koskaan osannut sanoa onko hän ydinfyysikko vai ydinkemisti.

Parissa vuosikymmenessä Berkeleyssä kasvatettiin synklotronin halkaisijaa 11-tuumaisesta kolossaaliseen 60-tuumaiseen. Mitä suurempi halkaisija oli, sitä suurempiin energioihin sillä päästiin. 60-tuumaisen, siis 1,5 metriä halkaisijaltana olleen laitteen olennaisin osa oli 220 tonnia painanut voimakas magneetti, mihin korkeataajuuksista vaihtovirtaa syöttämällä saatiin aikaan sykkivä magneettikenttä, mikä sai tyhjökammiossa ympyrärataa kulkevat hiukkaset kiihtyvään liikkeeseen. Kierros kierrokselta hiukkasten energia kasvoi korkeammaksi.

Laite otettiin käyttöön vuonna 1939 ja eräät ensimmäiset sen kykyjä täysipainoisesti testailleet tutkijat olivat juuri Martin Kamen ja Sam Ruben. He saivat synklotronilla aikaan hiilen radioaktiivista isotooppia, missä oli ytimessä kuusi protonia ja 8 neutronia. Isotooppiluku määräytyy varauksettomien neutronien mukaan, ja siis tässä tapauksessa hiilen ytimessä oli 16 protonia ja neutronia.

Löydöllä oli kiinnostava epäsuora seuraus: fotosynteesin periaatteen löytyminen. Itse Lawrence usutti tutkijoitaan käyttämään hiilen uutta radioaktiivista isotooppia "johonkin hyödylliseen", ja biokemisti Melvin Calvin keksi ottaa sen avukseen, kun hän selvitti miten aineet kulkevat kasvien sisällä ilmakehästä hiilidioksidin muuttumisesta hiilihydraateiksi ja muiksi orgaaniksiksi aineiksi. Hän huomasi työryhmineen kuinka auringon valo saa klorofyllin "valmistamaan" orgaamisia aineita sen sijaan että hiilidioksidi olisi aktiivinen osallistuja prosessissa, kuten tuolloin vielä ajateltiin.

Sen lisäksi että Lawrence sai Nobelin vuonna 1939 syklotronin rakentamisesta ja keinotekoisten radioaktiivisten alkuaineiden keksimisestä, sai Calvin omansa vuonna 1961. Kaikkiaan viisi muuta Nobelia on saatu Berkeleyn atomimurskaimella (kuten sitä kutsuttiin), ja lisäksi se tuotti vielä ainakin yhden sellaisen epäsuorasti: Chicagon yliopiston luonnollisten ja keinotekoisten radioaktiivisten aineiden tutkija Willard Libby sai sen radiohiiliajoituksen periaatteen keksimisestä.

Radiohiiliajoitus

Hiili-14 oli siis kiinnostava aine, mutta erityisen kiinnostavaksi se nousi vasta vuonna 1949, kun Libby työryhmineen äkkäsi hiili-14:n esiintyvän luonnossakin. Sitä syntyy muun muassa ilmakehässä, kun kosminen säteily pommittaa happi- ja typpiatomeita. Ilmasta tämä ns. radiohiili ajautuu yhteyttämisen, hengittämisen ja ravintoketjun kautta kasveihin ja eläimiin.

Libby keksi, että kun kasvi tai eläin kuolee, niin sen radiohiilen saanti ilmakehästä tyrehtyy. Sen jälkeen mittaamalla yksinkertaisesti hiili-14:n määrää suhteessa siihen mitä vastaavassa elävässä kasvissa tai eläimessä on luonnollisesti, voidaan radiohiilen puoliintumisajan perusteella päätellä suoraan milloin se on elänyt.

Koska hiili-14:n puoliintumisaika on noin 5700 vuotta, puolet eliössä olleista radiohiiliatomeista hajoaa noin 5 700 vuodessa. Lopuista puolet hajoaa taas seuraavissa noin 5700 vuodessa ja jäljellä olevasta radiohiilestä puolet jälleen noin 5700 vuodessa. Ja niin edelleen. Tarkalleen ottaen kiili-14:n puoliintumisajaksi sanotaan 5730 ±40 vuotta, mikä kymmenistä tuhansista vuosista puhuttaessa on hyvin tarkka luku.

Suurin osa maapallolla olevasta hiilestä on sen perusmuotoa, hiili-12 -isotooppia. Sitä on noin 99% kaikesta hiilestä. Lopuista suurin osa on hiili-13 -isotooppia, kun radioaktiivista isotooppia hiili-14 on vain noin 0,0000000001%, eli noin triljoonasosan verran. Kemiallisesti hiilet eivät juuri eroa toisistaan, joten radioajoituksen lisäksi hiili-14 sopii mainiosti myös merkitsemiseen korvaamalla tavallista hiiltä aineissa tällä lievästi radioaktiivisella hiilellä.

Kätevimmillään radiohiiliajoitus on muun muassa paleontologiassa ja arkeologiassa. Rajana iänmäärityksessä on noin kymmenen puoliintumisaikaa, eli jotakuinkin 60 000 vuoden kohdalla, koska silloin hiili-14:n määrä on pudonnut jo niin pieneksi, etteivät tulokset ole enää luotettavia. Kun iältään tunnettuja, nuoria näytteitä on verrattu radiohiiliajoituksella saatuihin tuloksiin, on todettu täysin suoraviivaisen laskelman antavan hieman liian nuoria ikiä hyvin vanhoille esineille. Tätä varten on laskettu korjauskertoimia muun muassa käyttäen mittatikkuinka puiden vuosirenkaita.

Radiohiiliajoitus sopii erinomaisesti eloperäisten aineiden ajoitukseen. Esimerkiksi puu, hiiltyneet ainekset, luu, eläinten kuoret ja sekä eloperäisissä soluissa oleva kollageeni sisältävät sopivasti hiili-14:aa, jotta iänmääritys onnistuu.

Siinä missä aikaisemmin radiohiilen määrää arvioitiin betasäteilyä mittaamalla, on 1990-luvun alusta alkaen tärkein menetelmä ollut massaspektrometri. Sen avulla voidaan hiilen isotooppien tarkat määrät selvittää hyvin tarkasti. Näin ikä voidaan määrittää yhä pienemmistä näytemääristä sekä mm. keramiikasta.

Arkeologinen kaivaus

Kuvat: Berkeley Lab via United States Department of Energy ja Flickr/texasrobo