คาร์บอน-14

คาร์บอน ( Carbon) 

              เป็นธาตุในตารางธาตุที่มีสัญลักษณ์ C และเลขอะตอม 6  เป็นธาตุอโลหะที่มีอยู่มากในธรรมชาติ มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 4 และมีหลายอัญรูป คือ

          1. เพชร (แร่ธาตุที่แข็งที่สุด)   โครงสร้างยึดเหนี่ยว  4 อิเล็กตรอนใน sp3-orbital แบบ 3 มิติ 
          2. แกรไฟต์ (หนึ่งในสารที่อ่อนที่สุด) โครงสร้างยึดเหนี่ยว 3 อิเล็กตรอนใน sp2-orbital 2 มิติ และ 1 อิเล็กตรอนใน p-orbital 
          3. ฟูลเลอไรต์ (หรือฟูลเลอรีน) คือโมเลกุลขนาดนาโนเมตร ในรูปแบบที่เรียบง่าย คาร์บอน 60อะตอมจะเรียงตัวคล้ายกับชั้นแกรไฟต์ ซึ่งงอตัวจนเป็นโครงสร้างสามมิติที่คล้ายกับลูกฟุตบอล

       คาร์บอนมี 3 ไอโซโทป (ธาตุชนิดเดียวกัน มีเลขอะตอมเท่ากัน และเลขมวลต่างกัน) คือ 

              - คาร์บอน - 12 ในธรรมชาติจะพบจำนวนมากถึง 98.9 % 

              - คาร์บอน - 13 ในธรรมชาติพบ 1.1 %

              - คาร์บอน - 14 ในธรรมชาติพบจำนวนน้อยมาก

 

                                    

 

 

 

     คาร์บอน-14 เป็นไอโซโทปกัมมันตรังสีเมื่อเกิดขึ้นแล้วจะสลายกัมมันตรังสีให้อนุภาคบีตา และเปลี่ยนตัวเองเป็นอะตอมของไนโตรเจน-14 ดังสมการ

 

                                     

 

        หลังจากนั้นคาร์บอน-14 ก็จะรวมตัวกับออกซิเจนในบรรยากาศกลายเป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ แล้วก็แพร่กระจายลงมายังบรรยากาศชั้นล่าง และเข้าสู่สิ่งมีชีวิตโดยกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง และการกินพืชเป็นอาหาร นอกจากนั้นยังแพร่กระจายลงสู่ทะเลและมหาสมุทร และอยู่ในรูปของสารประกอบไบคาร์บอเนต และคาร์บอเนต

        การเกิดและการสลายกัมมันตรังสีของคาร์บอน-14 นั้น เป็นไปอย่างต่อเนื่อง เมื่อระยะเวลาผ่านไปเนิ่นนานทำให้อัตราการเกิดคาร์บอน-14 เท่ากับอัตราการสลายกัมมันตรังสีของมัน นั่นก็หมายความว่าปริมาณคาร์บอน-14 ต่อกรัมของคาร์บอน มีค่าคงที่ตลอดเวลา ทั้งในบรรยากาศ น้ำ หรือสิ่งมีชีวิตทั้งหลายเมื่อสิ่งมีชีวิตทั้งหลายตายไปการแลกเปลี่ยนคาร์บอน-14 ระหว่างสิ่งมีชีวิตกับชั้นบรรยากาศสิ้นสุด ทำให้ปริมาณคาร์บอน-14 ที่มีอยู่เดิมลดจำนวนลงไปเรื่อยๆ อันเป็นผลสืบเนื่องมาจากการสลายกัมมันตรังสีของธาตุกัมมันตรังสี

        จากกฎการสลายกัมมันตรังสีของธาตุกัมมันตรังสี สามารถคำนวณหาเวลาตั้งแต่สิ่งมีชีวิตนั้นตายไปจนกระทั่งถึงปัจจุบัน (ปี) โดยทั่วไปการหาอายุโดยวิธีนี้สามารถหาอายุได้ในช่วง 200 ถึง 50,000 ปี ซึ่งตัวอย่างที่สามารถนำมาหาอายุโดยวิธีนี้ต้องมีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ ได้แก่ ไม้ ถ่าน เปลือกหอย กระดูก และพีต เป็นต้น

      ธาตุ C -14 มีครึ่งชีวิต (half life) เท่ากับ 5,730 ปี ซึ่งหมายความว่าภายในเวลา 5,730 ปี ครึ่งหนึ่งของอะตอม C -14 ที่มีในวัตถุจะสลายตัว และอีก 5,730 ปี ครึ่งหนึ่งของอะตอม C -14 ที่เหลือซึ่งก็คือ 1 ใน 4 ของของเดิมจะสลายตัว เป็นเช่นนี้ไปทีละครึ่งของที่มีในทุก 5,730 ปี จนกระทั่งอะตอมของ C -14สลายตัวหมด และเพราะเหตุว่าความร้อน ความเย็น หรือความดันใดๆ ไม่สามารถชะลอหรือเร่งเวลาในการสลายตัวของอะตอมเหล่านี้ได้ ดังนั้นการรู้อัตราการสลายตัวของ C -14 ที่มีในวัตถุ จะทำให้นักวิทยาศาสตร์คำนวณหาอายุของวัตถุได้      

       เครื่องมือที่ใช้ในการวัดกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอน-14 ที่ใช้อยู่มี 2 แบบ คือ เครื่องนับรังสีแบบสัดส่วนในแก๊ส (Gas Proportional Counter) กับ เครื่องนับรังสีแบบแสงวับในของเหลว (Liquid Scintillation Counter)

       การหาอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14 จำเป็นต้องวัดกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอน-14 ในตัวอย่างเปรียบเทียบกับกัมมันตภาพรังสีของสารมาตรฐาน โดยทั่วไปสารมาตรฐานที่นิยมใช้อยู่ในปัจจุบัน คือ กรดออกซาลิก และ ANU Sucrose

   

    จากกฎการสลายของธาตุกัมมันตรังสี สามารถนำมาใช้ในการหาอายุของวัตถุโบราณ ดังแสดงในสมการ

                                                                                                                           

เมื่อ     คือ กัมมันตภาพรังสีที่เวลาเริ่มต้น

          คือ กัมมันตภาพรังสีที่เวลาใด ๆ

         t   คือ อายุ (ปี)

 

 

ที่มา ; http://www.tint.or.th/nkc/nkc5003/nkc5003z.html