Lábszárcsontok és negatív ionok
Kormeghatározás C14-es izotóppal
MúzeumCafé 27.
A Magyar Tudományos Akadémia Atommagkutató Intézete (Atomki) Debrecenben működik. Ide érkezett meg nemrégiben Zürichből egy AMS nevű mérőműszer. Az új eszköz munkába állása után annak „beszerzőivel”, hazaszállítóival és jövőbeni itthoni használóival, Molnár Mihállyal, az Atommagkutató Intézet fizikusával és Veres Mihállyal, az Izotoptech Kft. – Hertelendi Ede Környezetanalitikai Laboratórium vezérigazgatójával beszélgettünk arról, hogy mit is tud az új gép, illetve hogy milyen új kormeghatározási lehetőségeket rejthet a használata a hazai régészetben.
– Mikor kezdődött Magyarországon a szénizotópos kormeghatározás régészeti alkalmazása?
– Molnár Mihály: Az első publikáció Radiokarbon kormeghatározásra alkalmas mérőműszer címmel 1982-ben jelent meg, szerzője Hertelendi Ede volt. De már 1978-ban publikálták az Új irányzatok a C14-ben című cikket. Ennek szerzője Csongor Éva professzor és férje, Szalay professzor volt, aki az intézetet alapította, nem sokkal azután, hogy ez a módszer kezdett elterjedni a világban.
– Veres Mihály: Én 1990-ben kerültem ide, és 1992-ben jelent meg az első, régészekkel közös publikáció, a szerzője Horváth Ferenc régész volt a szegedi Móra Ferenc Múzeumból. Emlékszem, hogy a régészeknek milyen nehéz volt eleinte elmagyarázni, hogy ha az elemzés során keletkezik egy szép Gauss-görbe, és ha a több mintából vett több ilyen görbe metszi egymást, az nem azt jelenti, hogy ott egyszerre éltek az adott kultúrák. Ennek van ugyan valamennyi valószínűsége, de egyáltalán nem biztos; lehet, hogy egy időben is éltek, de lehet, hogy nem, mert a mérésnek, a mintavételnek is van bizonytalansága.
– Ehhez szorosan tartozik a kérdés: milyen a szakszerű mintavétel?
– Veres Mihály: Régen, az AMS érkezése előtt nagyon fontos volt a minta mennyisége. Emlékszem, amikor Sümegi Pál elindult keresni a magyarországi neolitikumot, átválogatott vagy negyven diákkal nyolcvan köbméter földet, míg kibogarászott belőle egy grammnyi faszenet. Akkor vigyázzba állt mindenki, mert tudtuk, hogy mindannyiuknak mennyi munkája van benne, de nekünk kellett az az egy gramm szén, mert a proporcionális számlálórendszernél ez volt a legkisebb egység. Most már, amióta van AMS, szinte nincs is meghatározott mennyiség.
– Akkor térjünk a lényegre: mi az az AMS?
– Molnár Mihály: Minta-előkészítő rendszer gyorsítós tömegspektrométeres radiokarbon méréshez.
– Ez így elég riasztóan hangzik! Fordítsuk le magyarra!
– Molnár Mihály: Ha a C14 méréséről beszélünk, annak két módja van. A C14-ről tudjuk, hogy 5730 év a felezési ideje, ez azt jelenti, hogy az adott mennyiség 5730 év alatt bomlik le a felére.
– A hagyományos technikával azt csinálják, hogy amikor a C14 izotóp bomlik, kibocsát magából egy elektront, ezeket megszámolják, és abból tudják, hogy hány darab C14 atom épült be az adott mennyiségbe. Csakhogy mivel a C14 5730 évenként feleződik, sok kell belőle, hogy kellő darabszámú részecskét meg tudjunk határozni, ráadásul vannak problémák is vele. Ilyen részecskék ugyanis vannak a kozmikus háttérben, a földsugárzásból is érkeznek, tehát árnyékolni kell a mérőhelyet, bonyolult módon el kell érni, hogy csak azokat az elektronokat számoljuk meg, amelyek valóban beépültek az élő szervezetbe. Ez tehát az egyik módszer. A másik az lenne, hogy egyesével megszámoljuk, hogy ennyi darab C14-es izotóp van, meg ennyi darab C12-es. (Közbevetve: a baj csak az, hogy egy mostani modern mintában is tíz a tizenkettedikenszer több C12-es izotópunk van, mint C14-es.) Elvileg az ilyen számolást is megvalósíthatják a tömegspektrométerek. Csinálunk belőle egy iont, azt felgyorsítjuk, mágnessel eltérítjük, hogy a könnyebb izotóp menjen egy kisebb sugarú pályán, a nehezebb meg egy nagyobb sugarún, és a kettőnek az arányát meghatározzuk. Csakhogy az a probléma, hogy a sima tömegspektrométer általában csak a pozitív töltésű elektronokat látja. Az AMS viszont a negatív töltésű ionokat is. Már az 1970-es évek elején az az ötlete támadt valakinek, hogy csináljunk negatív ionokat. Mármost az N14-ből (a nitrogén 14-es izotópja) rengeteg van a levegőben; pont 14-es tömegszámúból, ami tehát pontosan olyan, mint a C14, amit mérni akarunk. Ez pedig bezavar. Annyira kevés a C14 izotóp, hogy a világ legjobb szivattyúival létrehozott vákuumban is sokszor több N14 van, mint C14. És mivel azonos a tömegük, tömegspektrométerrel elképesztően nehéz szétválogatni őket. Csakhogy az N14 sokkal kevésbé képes negatív ionokat létrehozni, nincs stabil negatív N14 – szénből viszont van. Ez akkora szelekciót ad már az ionok keltésénél, hogy utána lehetséges volt a számolás – igaz, hogy csak egy tandem tömegspektrométerrel: tehát két mágnes, közte egy gyorsító, a felbontást meg nagyon meg kellett növelni. A nagy trükk tehát a negatív ionforrás kitalálása volt – és erre képes az általunk most itthon is beüzemelt AMS.
– Miből eredt akkor a régészek kétségbeesése? Hogy a történeti dátumok – a keresztdatálás – alapján felépített kronológiai rendszerek összedőltek? Csúsztak kétezer éveket vissza?
– Molnár Mihály: Az egy másik kérdés: a kalibráció. Amikor Libby megadta az alapdefiníciót – amit a mai napig is használunk –, abban volt néhány feltételezés, ami később nem bizonyult száz százalékban igaznak. Például a C14 felezési ideje az akkori ismeretek szerint 5580 év volt. Ahogy fejlődött a fizika, ma már tudjuk, hogy ez 5730 év. Ez egy tízezer éves mintánál már bő ezer év csúszást jelentett, ami nem kevés. Döntéshelyzetbe került tehát a radiokarbont vizsgáló fizikusközösség: hogy akkor most mit csináljon? Kétévente vizsgálják felül a definíciót? Lehet, hogy még az 5730 sem jó? Esetleg száz év múlva ki fogják találni, hogy 5715 vagy 5743? Abban egyeztek meg, hogy hagyjuk úgy, ahogy van, nevezzük ezt a definíciót konvencionálisnak – Libby ezért kapta a Nobel-díjat –, és aki egy picit többet foglalkozik a témával, az két perc alatt megérti, hogy mi ezzel a gond. De csináljunk egy nagyon jó kalibrációt! Keressük elő az elmúlt évek évre vagy tíz évre meghatározott mintáit – fa évgyűrűket, korallokat, üledékes rétegeket –, tehát ahol valamiből pontosan ismerjük a kort, mondjuk dendrokronológiai vagy urántónium-módszerrel, amiben nagyon bízunk, és annak mérjük meg a radiokarbon korát. Csináltak egy függvényt is: ismert a kor – és ahhoz milyen radiokarbon kort kapunk.
– Hol tart ma a pontos kormeghatározás?
– Veres Mihály: Ahol már tulajdonképpen „régen” is tartottunk: kell csinálni egy ionforrást, egy gyorsítót, két jó nagy mágnest, és a végén egyesével összeszámoljuk az ionokat. Így akkor nem kell azon töprengeni, hogy az 5730 év jó-e vagy sem. Az első ilyen berendezések viszont akkora műszerek voltak, hogy a főépületbe se lehetett volna behozni őket. Rengeteg áram kellett hozzájuk, személyzet, az áruk ötmillió euró körül volt; igaz, ezt később csökkentették kétmillióra. 1990-ben beszéltünk erről még Hertelendi Edével, aki úgy került ide, hogy már megvolt a C14 mérőhely. Akkoriban tehát kétmilliárd forint körül lehetett volna egy ilyen műszert venni – a Magyar Tudományos Akadémiának az egész éves költségvetése sem volt annyi. Volt viszont itt egy olyan gyorsító, ami tudott nagyfeszültséget csinálni. Hertelendi Ede azt mondta, hogy jó, akkor csináljunk abból egy tandem gyorsítót, ionforrást, hozzátesz egy detektort, és kész. Úgysem használják az Atomkiben semmire. Hertelendi simán megcsinálta volna, ha hagyják… A tandem gyorsító azt jelenti, hogy elindulok negatív ionnal, az a negatívtól a pozitív felé fog gyorsulni, ezért felgyorsítjuk pozitív irányba, és utána hogyha visszahozzuk, az ahhoz képest már negatív lesz, és akkor még egyszer gyorsítjuk. Van egy 200 voltos feszültségem, először felgyorsítom nulláról +200-ra, utána +200-ról nullára. Ehhez annyit kell még csinálni, hogy a részecskének a töltését is váltani kell, mert először negatív volt, utána jó lenne, ha pozitív lenne, és visszafelé is tudnánk gyorsítani. Már beszéltünk arról, hogy itt vannak bizonytalanságok. Az egyik az, hogy sajnos ez nem úgy működik, hogy ha van húsz darab C12-es molekula meg öt darab C14-es, és fel kell vennünk a felét, akkor nem tíz darab C12-t és 2,5 darab C14-et vesz fel, hanem előszeretettel felveszi a könnyebbet, attól függően, hogy milyen mechanizmusról van szó. Ezt hívják izotóp frakcionációnak. Amit felvesz, annak az eloszlása más lesz, mint ami beépült a vizsgálandó élő szervezetbe. Valamilyen módon tehát jó lenne ezeket az értékeket becsülni, mert az pontosítaná a mérést. A szénnek van egy stabil izotópja is a C14-en kívül, a C13, aminek a töltése semleges; ennek a görbéjét használhatjuk fel a becslésre.
– Mit jelent mindebben az új műszer?
– Molnár Mihály: A Zürichben vásárolt AMS-nek köszönhetően alapvetően a vizsgálathoz szükséges mennyiség változott meg. Régen egy hét és egy gramm szén kellett a mérésekhez – ma egy milligramm vagy egy ezredgramm, vagy annak akár a tizedrésze, és egy óra. De nagyon sok restanciánk sincs: egy kezemen meg tudnám számolni, hogy hány régészeti mérést végeztünk az elmúlt évben.
– Jó lenne, ha több megbízást kapnának?
– Molnár Mihály: Most, hogy itt van az új AMS-ünk, az egyik legfontosabb lehetőségünk a csontokra kihegyezett minta-előkészítési módszer lett. A C14 mérése csontoknál kollagénből történik; a kollagénkivonás gyakorlatilag az egyik „mumus” radiokarbon berkekben. A faszenet csak egy kicsit meg kell lúgozni-savazni, mosogatni, el kell égetni – ez minden mintára igaz, a kémiai része nem bonyolult. Viszont a csontoknál ki kell vonni tiszta körülmények között a csontenyvet, a kollagént, és ez azért nem annyira egyszerű.
– Veres Mihály: Nekem van egy kedvenc „témám” a csontokkal kapcsolatban. Hallomásból tudom, hogy amikor a magyar királysírokat feltárták, ott volt egy kis „rendezetlenség”. Felmerült bennem, hogy illő lenne – mégis, ha már a királyaink voltak –, rendbe rakni ezt a dolgot. A régi technikával azt tudtuk volna csinálni, hogy elkérünk néhány lábszárcsontot, amiből csak azt tudtuk volna megmondani, hogy nő vagy férfi, magas vagy alacsony. De hogy melyik királyunké volt, ahhoz datálni kellett volna. Ahhoz viszont el kellett volna égetni egy fél lábszárcsontot. Ezt pedig nyilván nem engedték volna. Ezzel az új technikával viszont már elég egy pici kis darabka is a csontból. Például ilyen dolgokra is lehetne ezt a módszert használni, ha valaki úgy gondolná, hogy ezt rendbe kéne tenni.
– Ha valaki most felfigyel erre a lehetőségre, és igénybe akarná venni az önök szolgáltatását, milyen költségekkel kellene kalkulálnia?
– Veres Mihály: Mi egy elég speciális képződmény vagyunk az Atomkin belül. Molnár Mihály az Atomki alkalmazottja, tudós ember, én meg az Izotoptech Kft. vezérigazgatója vagyok, bár eredetileg szintén fizikus. Amikor létrejött a cégünk, azóta mi béreljük ezt a labort az Atomkitől, de persze azért itt ugyanúgy dolgoznak atomkis kollégák is. Az AMS is úgy került ide, hogy közösen kifundáltuk, hogy legyen. Ez egy egymillió eurós „kütyü”, és a Magyar Tudományos Akadémia úgy döntött, hogy 150 ezer euróval beszáll a megvételébe. Mi most ezzel a géppel szolgáltatunk. Mondok egy egyszerű példát: bejön egy régész, „itt egy leletsor, amit datálni kéne, nekem meg van ennyi pénzem”. Ennek az egyik része a mérés, amihez műszerek, emberek kellenek, de lesz egy tudományos eredmény is, ami engem már nem nagyon érdekel, nem ez a prioritásunk, ellenben az itt dolgozó fizikusoknak ez is fontos. Ez persze csak elméleti kérdés, mert jelenleg nincsenek régész megrendelőink. Visszatérve a királysírokra: ez a műszer részben akadémiai tulajdon, nekik az eredmény sokkal fontosabb, de ettől függetlenül a mi cégünk is messze áll a „karvalytőkétől”. Ezért el bírok képzelni olyan projekteket, hogy ha van olyan program, amely Magyarország számára régészetileg érdekes, azt valószínűleg fel tudnánk vállalni az akadémiával közösen.
– Molnár Mihály: Hogy válaszoljak konkrétan a kérdésére: egy átlagos mérés ára 330 euró. Mondjuk a kollagén miatt lehet egy pici felár, mert az nagyon bonyolult eljárás. De ehhez azt is tudni kell: huszonvalahány AMS van összesen a világban, Kelet-Európában a miénk az egyetlen.
– Veres Mihály: Ráadásul azt is el lehet mondani, hogy ez most a világon az egyik legjobb ilyen műszer. Van Zürichben a prototípus, a Heidelbergi Egyetem működtet egyet közösen a mannheimi múzeummal, a harmadik pedig itt van.