کربن 14 – کلید راهنمای گذشته

اولین انسان، چه موقع روی زمین پیدا شد؟ کی و چگونه بومیان آمریکایی برای نخستین بار به آمریکای شمالی مهاجرت کردند؟ سؤالات زیادی وجود دارد که باستان شناسان، دیرینه شناسان، مردم شناسان و زمین شناسان باید جواب دهند تا بهتر بتوان تاریخ زمین و انسان را گردآوری کرد و به هم مربوط ساخت. برای پاسخ به تمام این کنجکاوی ها و پژوهش‌های علمی روش‌هایی برای اندازه گیری دوره های طولانی کشف شده است.

پیش از عصر اتم، انسان مجبور بود تا به نوشته های قدیمی متکی باشد و برای تعیین حقایق قبل از تاریخ از افسانه‌ها و اساطیر و نیز تا حدود زیادی از حدسیات ساده استفاده نماید. اما شکافتن اتم، دنیای جدیدی را به روی دانشمندان گشود. امکان استفاده از اتم برای اندازه گیری دوران‎های زمین شناسی ابتدا به وسیله‌ی گروه پیشتازان علوم هسته ای، ماری و پیرکوری تشخیص داده شد.

کار از جایی شروع شد که آن‌ها پی بردند که برخی از اتم‌ها رادیواکتیو هستند و خود به خود از طریق خاصیت کاهش تدریجی رادیواکتیو با یک میزان ثابت و منظمی تبدیل به اتم عنصر دیگر می‌شوند. آن‌ها چنین استدلال کردند که اگر مقدار مشخص از عنصری تبدیل به عنصر دیگر شود و عوامل خارجی مثل گرما، رطوبت و ... در آن تأثیر نداشته باشد، این امکان وجود دارد که بتوان مدت زمان تحمل جسم را محاسبه نمود. این کشف اساس استفاده از ساعت‌های اتمی است. در واقع نیمه عمر عناصر رادیواکتیو اساس " ساعت اتمی " را تشکیل می‌دهد.

اگر مقدار معینی از عنصر رادیواکیتو، یک نیمه عمر خود را طی کرده باشد فقط نصف تعداد هسته های خود را خواهد داشت و نصف دیگر آن به هسته های عنصر دیگر واپاشی کرده است. جدول زیر نشان می‌دهد که پس از گذشت زمان چه مقدار از عناصر ماده اولیه باقی مانده است.

با مشخص کردن اینکه چه مقدار از هسته‌ی 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 (C14) تعیین می‌شود که تغییرات آن به‎طور 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 که به سرعت با دی اکسید کربن هوا ترکیب شده و از طریق فوتوسنتز در گیاهان جذب می‌شود به این ترتیب کربن 14 در تمام موجودات زنده راه پیدا می‌کند. پس قسمتی از همه‌ی 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 مقدرا کربن 14 آن را تعیین کنند و سپس با در نظر گرفتن میزان آن 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 اندازه گیری بقایای کربن 14 موجود در تکه چوبی که در یک پناهگاه قدیمی پیدا شده می‌توان آن را تجزیه نمود و عمر آن را با دقت تعیین کرد.

این امر، زمان شکسته شدن یا بریده شدن تکه چوب از درخت، جهت ساختن پناهگاه را مشخص کرده، در نتیجه دورانی را که انسان‎ها از این چوب استفاده کرده اند تعیین می‌شود. برای جدا کردن کربن 14 از دیگر عناصر، چوب را می‌سوزانند تا به گاز متان یا اتان تبدیل شود، 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 وسیله‎ی دستگاهی، میزان تشعشع اتم های کربن 14 موجود در نمونه را بررسی می‌کنند. و به این ترتیب عمر نمونه را مشخص می‌کنند.

با وجود همه‎ی 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 ( U238) که پس از چندین مرحله واپاشی به سرب 206 (Pb206) تبدیل می‌شود. اورانیوم 235 (U235) که به سرب 207 (pb207) توریوم 232 به سرب 208 و پتاسیم 40 که به آرگون 40 تبدیل می‌شود. زمانی که زمین شکل گرفته، شامل ذخایری از ایزوتوپ های اورانیوم 238 بوده است. نیمه عمر اورانیوم 238 در حدود 5/4 میلیارد سال است.

دانشمندان معتقدند که هنگام تشکیل زمین اصلاً سربی وجود نداشته و تمام سرب موجود در کره‎ی زمین در اثر واپاشی اورانیوم به‌وجود آمده است. از آن‌‎جایی که ما نیمه عمر اورانیوم رامی دانیم و در ضمن می‌توانیم مقدار اورانیوم 238 و سرب موجود در یک نمونه را اندازه بگیریم، می‌توانیم طول عمر سنگ‌هایی را که متعلق به میلیاردها سال پیش هستند، مشخص کنیم.

اکثر نمونه سنگ‌ها شامل دو مقدار مساوی از اتم های اورانیوم 238 و سرب 206 می‌باشند؛ یعنی مقدار اورانیوم نصف شده است و یا اینکه اورانیوم یک نیمه عمر خود را گذرانده است و این سنگ‌ها 5/4 میلیارد سال قدمت دارند. تا مدت‌ها تصور می‌شد که زمین فقط 100 میلیون سال عمر دارد، اما با این روش عمر زمین را حدود 5/4 میلیارد سال تعیین نموده اند.

نویسنده:ذوالفقار دانشی