การหาค่าอายุวัตถุโบราณด้วยคาร์บอน-14

การหาค่าอายุวัตถุโบราณด้วยคาร์บอน-14

ธาตุคาร์บอนที่มีอยู่ในธรรมชาติ ประกอบด้วย 3 ไอโซโทป คือ คาร์บอน-12 คาร์บอน-13 และคาร์บอน-14

สำหรับไอโซโทป 2 ชนิดแรก เป็นไอโซโทปเสถียร ส่วนคาร์บอน-14 เป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี โดยที่คาร์บอน-14 เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ระหว่างอนุภาคนิวตรอนที่ได้จากรังสีคอสมิก กับอะตอมของธาตุไนโตรเจน ในชั้นบรรยากาศ ดังสมการ

เนื่องจากคาร์บอน-14 เป็นธาตุกัมมันตรังสี เมื่อเกิดขึ้นแล้วจะสลายกัมมันตรังสีให้อนุภาคบีตา และเปลี่ยนตัวเองเป็นอะตอมของไนโตรเจน-14 ดังสมการ

หลังจากนั้นคาร์บอน-14 ก็จะรวมตัวกับออกซิเจนในบรรยากาศกลายเป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ แล้วก็แพร่กระจายลงมายังบรรยากาศชั้นล่าง และเข้าสู่สิ่งมีชีวิตโดยกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง และการกินพืชเป็นอาหาร นอกจากนั้นยังแพร่กระจายลงสู่ทะเลและมหาสมุทร และอยู่ในรูปของสารประกอบไบคาร์บอเนต และคาร์บอเนต

การเกิดและการสลายกัมมันตรังสีของคาร์บอน-14 นั้น เป็นไปอย่างต่อเนื่อง เมื่อระยะเวลาผ่านไปเนิ่นนานทำให้อัตราการเกิดคาร์บอน-14 เท่ากับอัตราการสลายกัมมันตรังสีของมัน นั่นก็หมายความว่า ปริมาณคาร์บอน-14 ต่อกรัมของคาร์บอน มีค่าคงที่ตลอดเวลา ทั้งในบรรยากาศ น้ำ หรือสิ่งมีชีวิตทั้งหลาย

เมื่อสิ่งมีชีวิตทั้งหลายตายไป การแลกเปลี่ยนคาร์บอน-14 ระหว่างสิ่งมีชีวิตกับชั้นบรรยากาศสิ้นสุดลง ทำให้ปริมาณคาร์บอน-14 ที่มีอยู่เดิมลดจำนวนลงไปเรื่อย ๆ อันเป็นผลสืบเนื่องมาจากการสลายกัมมันตรังสีของธาตุกัมมันตรังสี จากกฎการสลายกัมมันตรังสีของธาตุกัมมันตรังสี สามารถคำนวณหาเวลาตั้งแต่สิ่งมีชีวิตนั้นตายไปจนกระทั่งถึงปัจจุบัน (ปี) โดยทั่วไปการหาอายุโดยวิธีนี้ สามารถหาอายุได้ในช่วง 200 ถึง 50,000 ปี ซึ่งตัวอย่างที่สามารถนำมาหาอายุโดยวิธีนี้ต้องมีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ ได้แก่ ไม้ ถ่าน เปลือกหอย กระดูก และพีต เป็นต้น จะเห็นว่าตัวอย่างที่กล่าวมานั้นมาจากสิ่งมีชีวิตทั้งสิ้น สำหรับตัวอย่าง หิน แก้ว เครื่องปั้นดินเผา ไม่สามารถนำมาหาอายุโดยวิธีนี้ได้

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

เครื่องนับรังสีแบบสัดส่วนในแก๊ส จะต้องเปลี่ยนคาร์บอนในตัวอย่างให้อยู่ในรูปของแก๊ส เช่น แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ แก๊สมีเทน หรือแก๊สอะเซทิลีน

เครื่องนับรังสีแบบแสงวับในของเหลวนั้น จะต้องเปลี่ยนคาร์บอนให้อยู่ในรูปของสารประกอบเบนซีน ซึ่งเกี่ยวข้องกับกระบวนการเคมีอยู่ 3 ขั้นตอน คือการเปลี่ยนคาร์บอนในตัวอย่างให้อยู่ในรูปแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ การเปลี่ยนแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เป็นแก๊สอะเซทิลีน และการเปลี่ยนแก๊สอะเซทิลีนเป็นสารประกอบเบนซีน หรือทำการดูดซับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์โดยตรงด้วยสารละลายที่เป็นด่าง

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

จากกฎการสลายของธาตุกัมมันตรังสี สามารถนำมาใช้ในการหาอายุของวัตถุโบราณ ดังแสดงในสมการ

เมื่อ		คือ กัมมันตภาพรังสีที่เวลาเริ่มต้น
		คือ กัมมันตภาพรังสีที่เวลาใด ๆ
	t	คือ อายุ (ปี)

ปริมาณตัวอย่างที่ใช้สำหรับการกำหนดค่าอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14

ตัวอย่าง	ปริมาณตัวอย่าง (กรัม)
ถ่าน	10-20
ไม้	20-30
เปลือกหอย	50-100
กระดูก	500-1000
คาร์บอเนต	50-60

 

คาร์บอน - 14 ไขปริศนาอายุโครงกระดูกพันปี    

    ภาพกระดูกโบราณที่ค้นพบที่  จ. สุพรรณบุรี 

(ที่มา  http://www.thairath.co.th/content/region/87368 )

          มีการพบโครงกระดูกมนุษย์ยุคทวารวดีอายุ 1,200 -1,300 ปี บริเวณคูเมืองโบราณ จังหวัดสุพรรณบุรี ลักษณะคล้ายผู้ใหญ่และเด็กวางห่างกันประมาณ 7– 8 เมตร  โครงกระดูกทั้งหมด มีลักษณะสมบูรณ์ตั้งแต่กะโหลกศีรษะ กระดูกซี่โครง และสะโพก นอกจากนั้น ยังพบเศษภาชนะประเภทหม้อดินเผาปะปนอยู่จำนวนหนึ่ง

           เมื่อมีการค้นพบวัตถุโบราณ เทคโนโลยีคาร์บอน -14 (C -14) เป็นวิทยาการที่จะสามารถไขปริศนาอายุของวัตถุโบราณบางประเภทได้  โดยอาศัยหลักการที่ว่า สิ่งมีชีวิตทุกชนิตจะต้องประกอบด้วยธาตุคาร์บอนเป็นองค์ประกอบดังนั้นเมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง อัตราส่วนระหว่างคาร์บอนจะลดลงเรื่อย ๆ ข้อมูลอัตราส่วนดังกล่าวจะช่วยให้เราสามารถคำนวณหาอายุของสิ่งมีชีวิตชนิดนั้นได้

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

         http://www.sahavicha.com/?name=knowledge&file=readknowledge&id=2663