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؟

ممكن است خبرهايي را در مورد مصنوعات باستاني ديده يا خوانده باشيد. مثلا جسد موميايي شده‌ي كودكي در آندس (Andes) يافت شده و باستان‌شناسان مي گويند كه اين كودك بيش از 2000 سال پيش زندگي مي‌كرده است.

دانشمندان چگونه سن بقاياي يك انسان يا شئ را مي فهمند؟ چه روش‌هايي را به‌كار مي برند و اين روش‌ها چگونه عمل مي‌كنند؟

دانشمندان از ويژگي راديواكتيويته‌ي عناصر بخصوصی مانند كربن 14 براي اندازه‌گيري سن اجسام استفاده مي‌كنند. نيمه‌عمر كربن 14 روشي است براي اندازه‌گيري سن مصنوعات باستان‌شناسي 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

پرتوهاي كيهاني هر روز به مقدار زياد وارد جو زمين مي‌شوند. براي مثال هر انسان در هر ساعت مورد اصابت حدود نيم ميليون پرتو پرانرژي كيهاني قرار مي‌گيرد. چندان غيرعادي نيست كه پرتو كيهاني با يك اتم در جو برخورد و پرتو كيهاني ثانويه به شكل يك نوترون پرانرژي ايجاد كند و اين نوترون هاي پرانرژي با اتم‌هاي نيتروژن برخوردكنند.

وقتي نوترون با نيتروژن 14 (7 نوترون و 7 پروتون) برخورد مي‌كند اتم هاي نيتروژن به كربن 14 (6 پروتون و 8 نوترون) و يك اتم هيدروژن (يك پروتون و صفر نوترون) تبديل مي‌شوند. كربن 14 راديواكتيو است.

اتم‌هاي كربن 14 كه از پرتوهاي كيهاني ايجاد شده به شكل دي اكسيد كربن با اكسيژن تركيب مي‌شود و گياهان به طور طبيعي آن‌را جذب مي‌كنند و توسط فوتوسنتز در فيبرهاي گياهي پخش مي‌شوند. حيوانات و انسان‌ها گياهان را مي‌خورند و كربن 14 را به خوبي جذب مي‌كنند. نسبت طبيعي كربن (كربن12) به كربن 14 در هوا و همه‌ي موجودات زنده در يك زمان معين تقريباً ثابت است.

ممكن است در يك تريليون اتم كربن يكي كربن 14 باشد. اتم‌هاي كربن 14 همواره متلاشي مي‌شوند اما به نسبت ثابت جايگزين اتم‌هاي كربن 14جديد مي‌شوند. در اين لحظه درصد معيني اتم كربن 14 در بدن شما و همه‌ي گياهان و حيوانات جاندار وجود دارد.

اما ارگانيسم‌هاي زنده مي‌ميرند و دريافت كربن جديد متوقف‌ مي‌شود. نسبت كربن 12 به 14 در لحظه‌ي مرگ با ساير موجودات زنده برابر است اما كربن 14 متلاشي مي‌شود و جايگزين نمي‌شود.

مادامي‌كه مقدار كربن 12 باقيمانده در نمونه ثابت باشد، اين كربن 14 با نيمه عمر 5700 ساله‌اش متلاشي مي‌شود. با مشاهده‌ي نسبت كربن 12 به 14 در اين نمونه و مقايسه‌ي آن با ارگانيسم‌هاي زنده امكان تعيين عمر موجود زنده در گذشته تقريباً با دقت مشخص مي‌شود.

فرمول زير براي محاسبه‌ي عمر يك نمونه با استفاده از كربن 14 است :

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

كه لگاريتم طبيعي N_f/N درصد كربن 14 در نمونه در مقايسه با مقدار بافت زنده و t_1/2 نيمه‌عمر كربن 14 است ‌(5700 سال). بنابراين اگر شما فسيلي داشته باشيد كه 10درصد كربن 14 در مقايسه با نمونه‌ي زنده داشته باشد، پس عمر آن فسيل :

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

پتاسيم 40 عنصر طبيعي راديو اكتيو ديگري است كه در اندام تمام موجودات وجود دارد و نيمه‌عمر آن 1/3 ميلياردسال است. ساير راديوايزوتوپ‌هاي مفيد براي عمرسنجي راديواكتيويته شامل اورانيم 235 است (نيمه‌عمر 704 ميليون سال)، اورانيم 238 (نيمه‌عمر 4.5 ميليارد سال)، توريم 232 (نيمه‌عمر 14 ميليارد سال) و روبيديم 87 (نيمه‌عمر 49 ميليارد 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