Penanggalan radiokarbon

Penanggalan radiokarbon (disebut pula penanggalan karbon atau penanggalan karbon-14) adalah suatu metode penentuan usia suatu objek yang mengandung materi organik dengan memanfaatkan sifat radiokarbon, suatu isotop radioaktif dari karbon.

Metode ini dikembangkan pada akhir tahun 1940-an oleh Willard Libby, yang menerima Hadiah Nobel dalam Kimia pada tahun 1960 berkat karyanya ini. Metode ini didasarkan pada fakta bahwa radiokarbon (¹⁴C) dihasilkan terus-menerus di atmosfer sebagai hasil interaksi sinar kosmik dengan nitrogen di atmosfer. ¹⁴C yang dihasilkan bergabung dengan oksigen di atmosfer untuk membentuk karbon dioksida radioaktif, yang digunakan tumbuhan untuk proses fotosintesis; hewan memakan tumbuhan tersebut dan menerima ¹⁴C. Ketika hewan dan tumbuhan tersebut mati, pertukaran karbon antara mereka dengan lingkungan berakhir, dan sejak saat itu, jumlah ¹⁴C yang dikandungnya mulai berkurang sedikit demi sedikit ketika ¹⁴C mengalami peluruhan radioaktif. Pengukuran jumlah ¹⁴C dalam sampel tumbuhan atau hewan mati seperti pada suatu potongan kayu atau potongan tulang menyediakan informasi yang dapat digunakan untuk memperkirakan kapan tumbuhan atau hewan tersebut mati. Semakin tua sampel tersebut, maka semakin sedikit ¹⁴C yang dapat dideteksi dari sampel tersebut, dan karena waktu paruh ¹⁴C (masa ketika setengah dari sampel yang diberikan telah meluruh) adalah sekitar 5.730 tahun, penanggalan tertua yang dapat terukur melalui metode ini adalah sekitar 50.000 tahun lalu, meskipun metode penyiapan khusus terkadang dapat memberikan analisis akurat bagi sampel yang sudah sangat tua.

Sejumlah penelitian telah dilakukan sejak tahun 1960-an untuk menentukan proporsi ¹⁴C di atmosfer. Hasilnya, dalam bentuk kurva kalibrasi, saat ini digunakan untuk mengkonversi pengukuran radiokarbon dalam suatu sampel ke dalam perkiraan usia sampel tersebut. Koreksi lainnya harus dibuat dengan mempertimbangkan proporsi ¹⁴C dalam jenis organisme yang berbeda (fraksionasi), serta kadar ¹⁴C yang bervariasi di biosfer (efek reservoir). Pembakaran bahan bakar fosil seperti arang dan minyak, serta uji nuklir yang dilakukan pada 1950-an dan 1960-an mempersulit perhitungan penanggalan karbon. Karena waktu yang diperlukan untuk mengubah materi biologis menjadi bahan bakar fosil lebih lama dibanding waktu yang diperlukan bagi ¹⁴C untuk meluruh pada batas deteksi, bahan bakar fosil hampir sama sekali tidak mengandung ¹⁴C, dan karenanya sempat terjadi penurunan proporsi ¹⁴C di atmosfer yang berawal pada akhir abad ke-19. Kebalikannya, uji nuklir meningkatkan jumlah ¹⁴C di atmosfer, yang mencapai maksimumnya pada sekitar tahun 1965 dengan hampir dua kali dari jumlah ¹⁴C yang ada sebelum uji tersebut dimulai.

Pengukuran radiokarbon pada mulanya dilakukan dengan alat pencacah-beta, yang menghitung jumlah radiasi beta yang dipancarkan melalui peluruhan atom ¹⁴C dalam sampel. Baru-baru ini, spektrometri massa pemercepat menjadi metode pilihan dalam pengukuran radiokarbon; metode ini menghitung seluruh atom ¹⁴C dalam sampel dan tidak hanya karbon yang akan meluruh selama pengukuran; karenanya metode ini dapat digunakan dengan sampel yang lebih sedikit (seperti biji tumbuhan), dan lebih cepat memberikan hasil. Pengembangan penanggalan radiokarbon berdampak besar pada bidang arkeologi. Selain memberi penanggalan yang lebih akurat dibandingkan metode sebelumnya, metode ini mampu membandingkan penanggalan dengan jarak yang amat besar. Sejarah arkeologi terkadang merujuk pengaruh ini sebagai "revolusi radiokarbon". Penanggalan radiokarbon memberikan penanggalan bagi sejumlah masa transisi prasejarah penting, seperti akhir zaman es terakhir, dan awal Neolitikum dan Zaman Perunggu di wilayah yang berbeda.

Sejak diperkenalkan metode ini telah banyak digunakan sampai saat ini untuk menganalisis banyak objek terkenal, antara lain sampel dari Gulungan Laut Mati, Kain Kafan dari Torino, sejumlah besar artefak dari zaman Mesir kuno untuk memasok informasi bagi kronologi Dinasti Mesir, dan Ötzi, manusia purba yang jasadnya ditemukan terawetkan dalam es.

Latar belakang

Sejarah

Pada tahun 1939, Martin Kamen dan Samuel Ruben dari Laboratorium Radiasi di Berkeley memulai percobaan untuk menentukan apakah unsur-unsur yang umum dalam materi organik memiliki isotop dengan waktu paruh yang cukup lama untuk digunakan dalam penelitian biomedis. Mereka mensintesis ¹⁴C menggunakan pemercepat siklotron laboratorium tersebut dan kemudian mereka menemukan bahwa atom-atom tersebut memiliki waktu paruh yang jauh lebih lama dari yang mereka anggap sebelumnya. Penemuan ini kemudian diikuti oleh prediksi oleh Serge A. Korff, yang saat itu bekerja di Franklin Institute di Philadelphia, bahwa interaksi neutron termal dengan ¹⁴N di atmosfer atas dapat menghasilkan ¹⁴C. ¹⁴C sebelumnya telah terpikir untuk dibuat dari interaksi deuteron dengan ¹³C. Pada saat di masa Perang Dunia II, Willard Libby, yang saat itu menjalani studi di Berkeley, mempelajari penelitian Korff dan terpikir akan kemungkinan penggunaan radiokarbon untuk penanggalan.

Pada tahun 1945, Libby memulai penelitiannya mengenai penanggalan radiokarbon di Universitas Chicago. Ia menerbitkan sebuah makalah pada tahun 1946 yang berisi usulan mengenai kemungkinan adanya ¹⁴C serta karbon non-radioaktif dalam materi hayati. Libby dan beberapa kolaborator melakukan percobaan dengan metana yang ia kumpulkan dari selokan di Baltimore, dan setelah memperkaya sampel mereka secara isotopik mereka mampu menunjukkan bahwa sampel tersebut mengandung ¹⁴C. Di sisi lain, metana yang dihasilkan dari minyak bumi tidak menujukkan aktivitas radiokarbon karena usia sampel tersebut. Hasil tersebut dirangkum dalam sebuah makalah yang diterbitkan dalam Science pada tahun 1947, yang dalam komentarnya para penulis menyatakan bahwa hasil tersebut memperlihatkan adanya kemungkinan untuk melakukan penanggalan pada materi yang mengandung karbon organik.

Libby dan James Arnold melanjutkan penelitiannya untuk menguji teori penanggalan radiokarbon dengan menganalisis sampel yang telah diketahui usianya. Sebagai contoh, dua sampel yang diambil dari makam dua raja Mesir, Djoser dan Sneferu, masing-masing tertanggal 2625 SM lebih kurang 75 tahun, diukur dengan metode penanggalan radiokarbon dan menghasilkan usia kira-kira 2800 SM lebih kurang 250 tahun. Hasil ini diterbitkan dalam Science pada tahun 1949. Dalam kurun waktu 11 tahun setelah pengumuman tersebut, lebih dari 20 laboratorium penanggalan radiokarbon telah dibangun di seluruh dunia. Pada tahun 1960, Libby dianugerahi Hadiah Nobel dalam Kimia berkat karyanya tersebut.

Detail kimia dan fisika

Artikel utama: Karbon-14

Di alam, karbon hadir sebagai dua isotop stabil, nonradioaktif: karbon-12 (¹²C), dan karbon-13 (¹³C), serta sebuah isotop radioaktif, karbon-14 (¹⁴C), yang dikenal pula sebagai "radiokarbon". Waktu paruh bagi ¹⁴C (masa yang diperlukan untuk meluruhnya setengah jumlah ¹⁴C) adalah sekitar 5.730 tahun, sehingga konsentrasinya di atmosfer mungkin diperkirakan berkurang selama ribuan tahun, namun ¹⁴C diproduksi secara terus-menerus di stratosfer bawah dan troposfer atas, terutama oleh sinar kosmik galaktik, dan pada tingkatan yang lebih rendah oleh sinar kosmik matahari. Sinar ini menghasilkan neutron yang kemudian menghantam atom nitrogen-14 (¹⁴N) dan membentuk ¹⁴C. Reaksi nuklir tersebut merupakan jalur reaksi utama dalam pembentukan ¹⁴C:

n + 14
7N → 14
6C + p

Dalam persamaan di atas, n mewakili neutron dan p mewakili proton.

Setelah diproduksi, ¹⁴C bergabung secara cepat dengan oksigen di atmosfer untuk membentuk karbon monoksida (CO) pertama, dan kemudian menjadi karbon dioksida (CO₂).

¹⁴C + O₂ → ¹⁴CO + O

¹⁴CO + OH → ¹⁴CO₂ + H

Karbon dioksida yang dihasilkan dari reaksi ini berdifusi di atmosfer, terlarut di lautan, serta dimanfaatkan oleh tumbuhan untuk fotosintesis. Hewan memakan tumbuhan ini, dan karenanya radiokarbon terdistribusi ke seluruh biosfer. Perbandingan ¹⁴C dan ¹²C kira-kira 1,25 bagian ¹⁴C terhadap 10¹² bagian ¹²C. Selain itu, sekitar 1% atom karbon merupakan isotop ¹³C yang stabil.

Persamaan reaksi peluruhan radioaktif ¹⁴C adalah:

14
6C → 14
7N + e⁻ + ν_e

Dengan memancarkan partikel beta (suatu elektron, e⁻) dan suatu antineutrino elektron (ν_e), neutron dalam inti ¹⁴C berubah menjadi proton dan inti ¹⁴C kembali ke bentuk isotop stabil (non-radioaktif) ¹⁴N.

Prinsip

Selama masa hidupnya, tumbuhan atau hewan berada dalam kesetimbangan dengan lingkungannya melalui pertukaran karbon baik dengan atmosfer, atau melalui makanan yang dikonsumsinya. Mereka karenanya memiliki proporsi ¹⁴C yang sama dengan atmosfer, atau dalam kasus hewan atau tumbuhan laut, sama dengan laut. Ketika mereka mati, mereka berhenti menerima ¹⁴C, namun ¹⁴C dalam materi biologisnya saat itu akan terus meluruh, dan karenanya perbandingan ¹⁴C terhadap ¹²C dalam sisa-sisa mereka akan berkurang secara bertahap. Karena ¹⁴C meluruh pada laju yang diketahui, proporsi radiokarbon dapat digunakan untuk menentukan seberapa lama sejak sampel yang diberikan berhenti mengalami pertukaran karbon – semakin tua sampel tersebut, semakin sedikit ¹⁴C yang tersisa.

Peluruhan isotop radioaktif dinyatakan melalui persamaan:

$N=N_{0}e^{-\lambda t}\,$

yang dalam rumus di atas, N₀ merupakan jumlah atom isotop dalam sampel awal (pada saat t = 0, saat ketika sampel organisme tersebut mati), dan N adalah jumlah atom yang tersisa pada saat t. λ adalah suatu konstanta yang bergantung pada isotop tertentu; untuk isotop yang diberikan akan berbanding terbalik dengan waktu purata – yaitu waktu rerata atau yang diperkirakan dari atom yang diberikan untuk dapat bertahan sebelum mengalami peluruhan radioaktif. Waktu purata, dinyatakan dengan τ, dari ¹⁴C adalah 8.267 tahun, sehingga persamaan di atas dapat ditulis kembali sehingga:

$t=8267\cdot \ln(N_{0}/N){\text{ tahun}}$

Lihat pula

• Metodologi penanggalan dalam arkeologi

Sumber

• Aitken, M.J. (1990). Science-based Dating in Archaeology. London: Longman. ISBN 978-0-582-49309-4. 
• Aitken, Martin J. (2003). "Radiocarbon Dating". Dalam Ellis, Linda. Archaeological Method and Theory. New York: Garland Publishing. hlm. 505–508. 
• Bianchi, Thomas S.; Canuel, Elizabeth A. (2011). Chemical Markers in Aquatic Ecosystems. Princeton: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-13414-7. 
• Bousman, C. Britt; Vierra, Bradley J. (2012). "Chronology, Environmental Setting, and Views of the Terminal Pleistocene and Early Holocene Cultural Transitions in North America". Dalam Bousman, C. Britt; Vierra, Bradley J. From the Pleistocene to the Holocene: Human Organization and Cultural Transformations in Prehistoric North America. College Station, Texas: Texas A&M University Press. hlm. 1–15. ISBN 978-1-60344-760-7. 
• Bowman, Sheridan (1995) [1990]. Radiocarbon Dating. London: British Museum Press. ISBN 978-0-7141-2047-8. 
• Cronin, Thomas M. (2010). Paleoclimates: Understanding Climate Change Past and Present. New York: Columbia University Press. ISBN 978-0-231-14494-0. 
• Dass, Chhabil (2007). Fundamentals of Contemporary Mass Spectrometry. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-68229-5. 
• Eriksson Stenström, Kristina; Skog, Göran; Georgiadou, Elisavet; Genberg, Johan; Johansson, Anette (2011). A guide to radiocarbon units and calculations. Lund: Lund University. 
• Ferronsky, V.I.; Polyakov, V.A. (2012). Isotopes of the Earth's Hydrosphere. New York: Springer. ISBN 978-94-007-2855-4. 
• Killick, David (2014). "Using evidence from natural sciences in archaeology". Dalam Chapman, Robert; Alison, Wylie. Material Evidence: Learning From Archaeological Practice. Abingdon, UK: Routledge. hlm. 159–172. ISBN 978-0-415-83745-3. 
• L'Annunziata, Michael F. (2007). Radioactivity: Introduction and History. Amsterdam: Elsevier. ISBN 978-0-444-52715-8. 
• L'Annunziata, Michael F.; Kessler, Michael J. (2012). "Liquid scintillation analysis: principles and practice". Dalam L'Annunziata, Michael F. Handbook of Radioactivity Analysis (edisi ke-3rd). Oxford: Academic Press. hlm. 423–573. doi:10.1016/b978-012436603-9/50010-7. ISBN 978-0-12-384873-4. 
• Libby, Willard F. (1965) [1952]. Radiocarbon Dating (edisi ke-2 (1955)). Chicago: Phoenix. 
• Macdougall, Doug (2008). Nature's Clocks: How Scientists Measure the Age of Almost Everything. Berkeley, California: University of California Press. ISBN 978-0-520-24975-2. 
• Malainey, Mary E. (2010). A Consumer's Guide to Archaeological Science. New York: Springer. ISBN 978-1-4419-5704-7. 
• Maslin, Mark A.; Swann, George E.A. (2006). "Isotopes in marine sediments". Dalam Leng, Melanie J. Isotopes in Palaeoenvironmental Research. Dordrecht: Springer. hlm. 227–290. doi:10.1007/1-4020-2504-1_06. ISBN 978-1-4020-2503-7. 
• Mook, W.G.; Waterbolk, H.T. (1985). Handbooks for Archaeologists: No. 3: Radiocarbon Dating. Strasbourg: European Science Foundation. ISBN 978-2-903148-44-7. 
• Post, Wilfred M. (2001). "Carbon cycle". Dalam Goudie, Andrew; Cuff, David J. Encyclopedia of Global Change: Environmental Change and Human Society, Volume 1. Oxford: Oxford University Press. hlm. 127–130. ISBN 978-0-19-514518-2. 
• Renfrew, Colin (2014). "Foreword". Dalam Taylor, R.E.; Bar-Yosef, Ofer. Radiocarbon Dating. Walnut Creek, California: Left Coast Press. hlm. 12–14. ISBN 978-1-59874-590-0. 
• Schoeninger, Margaret J. (2010). "Diet reconstruction and ecology using stable isotope ratios". Dalam Larsen, Clark Spencer. A Companion to Biological Anthropology. Oxford: Blackwell. hlm. 445–464. doi:10.1002/9781444320039.ch25. ISBN 978-1-4051-8900-2. 
• Šilar, Jan (2004). "Application of environmental radionuclides in radiochronology: Radiocarbon". Dalam Tykva, Richard; Berg, Dieter. Man-made and Natural Radioactivity in Environmental Pollution and Radiochronology. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers. hlm. 150–179. ISBN 978-1-4020-1860-2. 
• Suess, H.E. (1970). "Bristlecone-pine calibration of the radiocarbon time-scale 5200 B.C. to the present". Dalam Olsson, Ingrid U. Radiocarbon Variations and Absolute Chronology. New York: John Wiley & Sons. hlm. 303–311. 
• Taylor, R.E. (1987). Radiocarbon Dating. London: Academic Press. ISBN 978-0-12-433663-6. 
• Taylor, R.E. (1997). "Radiocarbon dating". Dalam Taylor, R.E.; Aitken, Martin J. Chronometric Dating in Archaeology. New York: Plenum Press. hlm. 65–97. ISBN 978-0-306-45715-9. 
• Taylor, R.E.; Bar-Yosef, Ofer (2014). Radiocarbon Dating (edisi ke-2). Walnut Creek, California: Left Coast Press. ISBN 978-1-59874-590-0. 
• Terasmae, J. (1984). "Radiocarbon dating: some problems and potential developments". Dalam Mahaney, W.C. Quaternary Dating Methods. Amsterdam: Elsevier. hlm. 1–15. ISBN 978-0-444-42392-4. 
• Theodórsson, Páll (1996). Measurement of Weak Radioactivity. Singapore: World Scientific Publishing. ISBN 978-9810223151. 
• Trumbore, Susan E. (1996). "Applications of accelerator mass spectrometry to soil science". Dalam Boutton, Thomas W.; Yamasaki, Shin-ichi. Mass Spectrometry of Soils. New York: Marcel Dekker. hlm. 311–340. ISBN 978-0-8247-9699-0. 
• Tsipenyuk, Yuri M. (1997). Nuclear Methods in Science and Technology. Bristol, UK: Institute of Physics Publishing. ISBN 978-0750304221. 
• Tuniz, C.; Zoppi, U.; Barbetti, M. (2004). "Radionuclide dating in archaeology by accelerator mass spectrometry". Dalam Martini, M.; Milazzo, M.; Piacentini, M. Physics Methods in Archaeometry. Amsterdam: IOS Press. hlm. 385–405. ISBN 978-1-58603-424-5. 
• Walker, Mike (2005). Quaternary Dating Methods (PDF). Chichester: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-86927-7. 
• Warneck, Peter (2000). Chemistry of the Natural Atmosphere. London: Academic Press. ISBN 978-0-12-735632-7. 
• Wiebert, Anders (1995). Development of the Lund AMS System and the Evaluation of a New AMS Detection Technique. Lund: University of Lund. 

Pranala luar

• RADON – basis data bagi penanggalan ¹⁴C Eropa