عمرسنجی با کربن 14 چیست و چه کاربردی دارد؟

اگر خبرهای مرتبط با کشفیات باستان‌شناسی را دنبال کرده باشید احتمالا نام کربن 14 به گوشتان خورده است. اما عمرسنجی با کربن 14 چیست؟ چگونه کار میکند و چه کاربردهایی دارد؟

ممکن است خبرهایی را در مورد مصنوعات باستانی دیده یا خوانده باشید. مثلا جسد مومیایی شده‌ی کودکی در آندس (Andes) یافت شده و باستان‌شناسان می گویند که این کودک بیش از 2000 سال پیش زندگی می‌کرده است.

دانشمندان چگونه سن بقایای یک انسان یا شئ را می فهمند؟ چه روش‌هایی را به‌کار می برند و این روش‌ها چگونه عمل می‌کنند؟

دانشمندان از ویژگی رادیواکتیویته‌ی عناصر بخصوصی مانند کربن 14 برای اندازه‌گیری سن اجسام استفاده می‌کنند. نیمه‌عمر کربن 14 روشی است برای اندازه‌گیری سن مصنوعات باستان‌شناسی که در ادامه نگاهی به جزئیات وکاربردهای آن داریم. با ما در بررسی این موضوع یعنی  چیستی کربن 14, عمرسنجی با کربن 14 و کاربردهای کربن 14 همراه باشید.

کربن 14 چیست؟

تمام عناصری که در طبیعت وجود دارند‌، از ریز ساختارهایی تشکیل شده‌اند که به آن‌ها اتم می‌گویند. اتم‌های متفاوت موجود در یک عنصر را در اصطلاح علمی «ایزوتوپ» می‌نامند.

برای کربن‌ها سه ایزوتوپ اصلی تعریف شده که این ایزوتوپ‌های اصلی را نیز کربن می‌نامند اما برای متمایز ساختن آن‌ها از یکدیگر، شماره‌هایی مخصوص برایشان در نظر گرفته شده و بدین سان کربن-۱۲، کربن-۱۳ و کربن-۱۴ نامیده می‌شوند.

مقدار این ایزوتوپ‌ها در اتم کربن متفاوت است. در هر اتم کربن، ۹۹ درصد ایزوتوپ کربن-۱۲ وجود داشته و نزدیک به یک درصد نیز کربن-۱۳ یافت می‌شود ولی مقدار کربن-۱۴، بسیار ناچیز بوده و تقریبا یک به میلیون است. کربن-۱۴ خاصیت رادیواکتیویته دارد و همین خاصیت است که برای تخمین عمر مواد از آن استفاده می‌شود.

اتم‌های رادیواکتیو در اتم‌های ثابت بر اثر یک فرآیند ساده ریاضی فاسد می‌شوند، در این فرآیند که یک دوره خاص را در بر می‌گیرند، نیمی از اتم‌های موجود تغییر می‌کنند که به آن دوره، نیمه-عمر می‌گویند.

برای مثال، اگر در سال ۲۰۰۰ تعداد هزار اتم با نیمه عمر ۱۰ سال وجود داشته باشد این مقدار در سال ۲۰۱۰ به ۵۰۰ اتم رسیده و در سال ۲۰۲۰ تعداد ۲۵۰ اتم از آن کاسته و در سال ۲۰۳۰ نیز این مقدار به ۱۲۵ اتم خواهد رسید.

عمر اشیاء قدیمی به کمک ایزوتوپ های رادیواکتیو کربن ۱۴ تعیین می‌شود که تغییرات آن بطور طبیعی اتفاق می‌افتد. به کمک زمان سنجی کربن ۱۴ طول عمر اجسام را تا ۶۰۰۰۰ سال می‌توان تعیین کرد.

بیشتر بخوانید:

• آیا واقعا سیگاری ها کمتر کرونا می‌گیرند؟
• آیا ویروس بیماری کووید 19 ساخته دست انسان است؟
• آیا آلودگی هوای تهران با تعداد بالای مبتلایان کرونای آن مرتبط است؟
• یک چهارم مردم ایران هیچ ترسی از ابتلا به کرونا ندارند!
• ویروس کرونا در هوای گرم ؛‌ آیا شروع تابستان شیوع کووید 19 را کاهش می‌دهد؟

عمرسنجی با کربن 14 چگونه انجام میشود؟

کربن-۱۴ (Carbon-14‎) یا رادیوکربن یک ایزوتوپ پرتوزای کربن است که هسته اتم آن دارای ۶ پروتون و ۸ نوترون است. وجود کربن-۱۴ در مواد ارگانیک پایه و اساس روش تاریخ‌گذاری رادیوکربن است که توسط ویلارد لیبای و همکارانش در سال ۱۹۴۹ جهت تعیین سن نمونه‌های باستان‌شناسی، زمین‌شناسی و آب‌زمین‌شناسی معرفی شد. ویلارد لیبای به همین دلیل در ال 1960 موفق به دریافت جایزه نوبل شیمی شد.

کربن-۱۴ در ۲۷ فوریه ۱۹۴۰ توسط مارتین کامن و سم روبن در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در برکلی، کالیفرنیا کشف شد. وجود کربن-۱۴ در سال ۱۹۳۴ توسط فرانز کوری پیش‌بینی شده بود.

تاریخ‌گذاری رادیوکربن یکی از روش‌های تاریخ‌گذاری رادیومتریک می‌باشد که جهت تخمین تاریخ مرگ موجوداتی که کربن مصرف می‌کنند (مانند گیاهان) کاربرد دارد. در این روش ایزوتوپ کربن-۱۴ که یکی از ایزوتوپ‌های رادیواکتیو کربن با نیمه‌عمر حدود ۵۷۳۰ سال می‌باشد مورد بررسی قرار می‌گیرد.

موجودات زنده‌ای که از کربن برای تنفس استفاده می‌کنند، در طول حیات دائماً در حال مبادلهٔ ایزوتوپ کربن-۱۴ با محیط می‌باشند. در چنین موجودی، هنگام زندگی نسبت مقدار این ایزوتوپ کربن به مقادیر دیگر ایزوتوپ‌های غیر رادیواکتیو کربن مشخص است.

زمانیکه موجود می‌میرد تبادل ایزوتوپ کربن-۱۴ با محیط متوقف شده و این ایزوتوپ کربن شروع به تغییر و کاهش می‌کند (میزان آن هر ۵۷۳۰ سال تقریباً نصف می‌شود).

با اندازه‌گیری ایزوتوپ‌های غیر رادیو اکتیو کربن در موجود مرده، میزان ایزوتوپ کربن-۱۴ آن در زمان مرگ تخمین زده می‌شود. حال با دانستن مقدار ایزوتوپ کربن-۱۴ در هنگام مرگ و اندازه‌گیری میزان ایزوتوپ کربن-۱۴ فعلی در بدن موجود مرده، می‌توان با در نظر گرفتن نیمه‌عمر این ایزوتوپ، زمان مرگ موجود را تخمین زد.

بیشتر بخوانید:

• بهترین اپلیکیشن های ورزشی
• بهترین تکنولوژی های پزشکی در سال 2020
• واکسن ام آر ان ای (mRNA Vaccine) ؛ واکسن های فایزر و مدرنا چگونه کار می‌کنند؟
• واکسن کرونا فایزر (Pfizer) ؛ جدیدترین اخبار و هر آنچه لازم است بدانیم!
• تقویت سیستم ایمنی بدن در برابر ویروس
• تقویت سیستم ایمنی بدن با تغذیه

عمرسنجی با کربن 14 چگونه ممکن است؟

با مشخص کردن اینکه چه مقدار از هسته رادیواکتیو باقی مانده است متوجه می‌شویم که چند نیمه عمر ماده سپری شده و چون نیمه عمر عناصر را می‌دانیم به راحتی می‌توانیم سن اشیاء قدیمی را محاسبه نماییم.

عمر اشیاء قدیمی به کمک ایزوتوپ های رادیواکتیو کربن 14 تعیین می‌شود که تغییرات آن بطور طبیعی اتفاق می‌افتد. به کمک زمان سنجی کربن 14 طول عمر اجسام را تا 60000 سال می‌توان تعیین کرد.

زمانی که نوترونهای پرتوهای کیهانی در اتمسفر با نیتروژن های 14 برخورد می‌کنند. به طور مداوم کربن 14 تولید می‌شود کربن 14 به سرعت با دی اکسید کربن هوا مخلوط شده و از طریق فوتوسنتز در گیاهان جذب می‌شود به این ترتیب کربن 14 در تمام موجودات زنده راه پیدا می‌کند پس قسمتی از همه کربن های موجود در بدن موجودات زنده کربن 14 است که نسبت تمرکز آن هم مقدار ثابتی است.

اما کربن 14 یک عنصر رادیواکتیو است و با مرور زمان واپاشی کرده و تبدیل به عناصر دیگر می‌شود. زمانی که یک موجود زنده می‌میرد و یا گیاهی خشک می‌شود، دیگر کربن 14 جدیدی به طبیعت اضافه نمی شود اما کربن 14 های قدیمی شروع به واپاشی می‌کنند.

نیمه عمر کربن 14 حدود 5760 سال تعیین شده است. بنابراین زمانی که باستان‌شناسان یک تکه ذغال را در غار یا یک قطعه چوب را در یک بنای قدیمی پیدا می‌کنند، می‌توانند به دقت مقدار کربن موجود در آنها را اندازه گرفته و مقدار کربن 14 آن را تعیین کنند و سپس با در نظر گرفتن میزان کربن 14 موجود در درختان امروزی مقدار کربن 14 این اجسام را در زمان خود مشخص کنند. و از این راه طول عمر جسم مورد نظر را به دست آورند.

برای جدا کردن کربن 14 از دیگر عناصر، چوب را می‌سوزانند تا به صورت گاز متان یا اتان دربیاید گاز حاصل را که دارای کربن 14 است به مدت یک ماه درون یک محفظه نگه می‌دارند در این مدت ترکیبات اورانیوم که ممکن است باعث اندازه گیری غیر واقعی عمر شوند واپاشیده شده و مقدارشان به حداقل می‌رسد. سپس به وسیله دستگاهی میزان تشعشع اتم های کربن 14 موجود در نمونه را بررسی می‌کنند. و به این ترتیب عمر نمونه را مشخص می‌کنند.

بیشتر بخوانید:

• کشنده ترین و مرگبارترین ویروس های تاریخ
• ایمنی گله ای یا ایمنی جمعی چیست؟
• بیشترین سرعت اینترنت 2020
• اینترنت VDSL چیست و چه تفاوتی با ADSL دارد؟
• 5 ترفند برای کاهش مصرف اینترنت اینستاگرام

محدودیت های کربن 14

با وجود همه امتیازاتی که زمان سنجی کربن 14 داراست محدودیت هایی نیز دارد. کربن 14 نیمه عمر نسبتاً کوتاهی دارد و فقط جهت تعیین طول عمرهایی تا 60 هزار سال قبل مفید است. برای عمرسنجی موارد قدیمی تر باید از دیگر عناصر رادیواکتیو که نیمه عمر بیشتری دارند استفاده کرد. که البته اساس کار این زمان سنجی‌ها هم کاملاً مشابه کربن 14 است.

به غیر از کربن 14 عناصر دیگری نیز در زمان سنجی بکار می‌روند که عبارتند از: اورانیوم 238 ( 7238) که پس از چندمین مرحله واپاشی به سرب 206 (Pb206) تبدیل می‌شود. اورانیوم 235 (7235) که به سرب 207 (pb207) توریوم 232 که سرب 208 و پتاسیم 40 که به آرگون 40 تبدیل می‌شود.

عمرسنجی با کربن 14

پرتوهای کیهانی هر روز به مقدار زیاد وارد جو زمین می‌شوند. برای مثال هر انسان در هر ساعت مورد اصابت حدود نیم میلیون پرتو پرانرژی کیهانی قرار می‌گیرد. چندان غیرعادی نیست که پرتو کیهانی با یک اتم در جو برخورد و پرتو کیهانی ثانویه به شکل یک نوترون پرانرژی ایجاد کند و این نوترون های پرانرژی با اتم‌های نیتروژن برخوردکنند.

وقتی نوترون با نیتروژن 14 (7 نوترون و 7 پروتون) برخورد می‌کند اتم های نیتروژن به کربن 14 (6 پروتون و 8 نوترون) و یک اتم هیدروژن (یک پروتون و صفر نوترون) تبدیل می‌شوند. کربن 14 رادیواکتیو است.

اتم‌های کربن 14 که از پرتوهای کیهانی ایجاد شده به شکل دی اکسید کربن با اکسیژن ترکیب می‌شود و گیاهان به طور طبیعی آن‌را جذب می‌کنند و توسط فوتوسنتز در فیبرهای گیاهی پخش می‌شوند. حیوانات و انسان‌ها گیاهان را می‌خورند و کربن 14 را به خوبی جذب می‌کنند. نسبت طبیعی کربن (کربن12) به کربن 14 در هوا و همه‌ی موجودات زنده در یک زمان معین تقریباً ثابت است.

ممکن است در یک تریلیون اتم کربن یکی کربن 14 باشد. اتم‌های کربن 14 همواره متلاشی می‌شوند اما به نسبت ثابت جایگزین اتم‌های کربن 14جدید می‌شوند. در این لحظه درصد معینی اتم کربن 14 در بدن شما و همه‌ی گیاهان و حیوانات جاندار وجود دارد.

اما ارگانیسم‌های زنده می‌میرند و دریافت کربن جدید متوقف‌ می‌شود. نسبت کربن 12 به 14 در لحظه‌ی مرگ با سایر موجودات زنده برابر است اما کربن 14 متلاشی می‌شود و جایگزین نمی‌شود.

مادامی‌که مقدار کربن 12 باقیمانده در نمونه ثابت باشد، این کربن 14 با نیمه عمر 5700 ساله‌اش متلاشی می‌شود. با مشاهده‌ی نسبت کربن 12 به 14 در این نمونه و مقایسه‌ی آن با ارگانیسم‌های زنده امکان تعیین عمر موجود زنده در گذشته تقریباً با دقت مشخص می‌شود.

فرمول زیر برای محاسبه‌ی عمر یک نمونه با استفاده از کربن 14 است :

t = [ ln (N_f/N_o) / (-0.693) ] x t_1/2

که لگاریتم طبیعی N_f/N درصد کربن 14 در نمونه در مقایسه با مقدار بافت زنده و t_1/2 نیمه‌عمر کربن 14 است ‌(5700 سال). بنابراین اگر شما فسیلی داشته باشید که 10درصد کربن 14 در مقایسه با نمونه‌ی زنده داشته باشد، پس عمر آن فسیل :

t = [ ln (0.10) / (-0.693) ] x 5,700 years

t = [ (-2.303) / (-0.693) ] x 5,700 years

t = [ 3.323 ] x 5,700 years

t = 18,940 years old

پتاسیم 40 عنصر طبیعی رادیو اکتیو دیگری است که در اندام تمام موجودات وجود دارد و نیمه‌عمر آن 1/3 میلیاردسال است. سایر رادیوایزوتوپ‌های مفید برای عمرسنجی رادیواکتیویته شامل اورانیم 235 است (نیمه‌عمر 704 میلیون سال)، اورانیم 238 (نیمه‌عمر 4.5 میلیارد سال)، توریم 232 (نیمه‌عمر 14 میلیارد سال) و روبیدیم 87 (نیمه‌عمر 49 میلیارد سال).

بیشتر بخوانید:

• بهترین پرینترهای رنگی لیزری 2020
• بهترین عینک های واقعیت مجازی در سال 2020
• بررسی مشخصات فنی سونی PS4 Pro
• بهترین هارد اکسترنال 2020 ؛ دنیا را ذخیره کن!
• بهترین هدفون بی سیم سال 2020
• آثار ترک سیگار برای شما و بدنتان چیست؟
• گران قیمت ترین سیگارهای دنیا
• عوارض سیگار در کوتاه مدت و بلند مدت
• بهترین کتاب های آموزش بورس
• بهترین کتاب های انگیزشی جهان
• بهترین کتاب های فلسفه جهان
• بهترین رمان های جهان ؛ پیشکش به خوره های برترین کتاب های جهان!
• بهترین کتاب های سیاسی ایران و جهان

نظر شما در خصوص عمرسنجی با کربن 14 چیست؟ نظرات خود را در بخش کامنت‌ها با تکراتو در میان بگذارید