เปิดเผยความลับการคำนวณอายุฟอสซิล

 

 

เวลาที่เราได้มีโอกาสเห็นโครงกระดูกไดโนเสาร์ซึ่งเป็นซากดึกดำบรรพ์ หรือฟอสซิล (fossill) หลายคนคงเกิดความสงสัยอยากอรู้ว่าสิ่งที่เห็นนั้นมีอายุผ่านมากี่ปีแล้ว ปัจจุบันนี้วิวัฒนาการทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีช่วยไขปัญหาเหล่านั้นได้ด้วย “เทคโนโลยีคาร์บอน-14 (Carbon-14; C-14)” เทคโนโลยีคาร์บอน-14 ถูกค้นพบครั้งแรกโดยนายวิลลาร์ด เอฟ. ลิบบี (Willard F. Libby)

ลิบบีเป็นนักเคมีฟิสิกส์ที่เชี่ยวชาญด้านเคมีรังสี (radiochemistry) ชาวสหรัฐอเมริกา มีชีวิตระหว่าง ศ.ศ.1908-1980 จบการศึกษาระดับปริญญาเอกจาก California University (Berkeley) และเป็นอาจารย์สอนวิชาเคมีที่นี่ ต่อมาได้รับแต่งตั้งเป็นศาสตรจารย์ด้านเคมี ณ สถาบันวิจัยด้านนิวเคลียร์ มหาวิทยาลัยชิคาโก ต่อมาในปี 1959 ย้ายมาที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เมืองลอสแอลเจนลีส และย้ายเป็นประธาน Geophysics and Planetary Physics ในปี 1962 รวมทั้งทำงานให้กับกระทรวงกลาโหม จากผลงานการคำนวญหาอายุซากฟอสซิลจากคาร์บอน-14 (radiocarbon dating technique) ทำให้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีเมื่อปี 1960

หลักการการคำนวณอายุซากฟอสซิลด้วย C-14 (Radiocarbon dating technique)

[cr: http://www.propheticvoice.co.uk/index.php?categoryid=14]

คาร์บอนในธรรมชาติ มี 3 ไอโซโทปหลัก (principal isotopes; ไอโซโทป = นิวไคลด์ของธาตุเดียวกัน มีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน)) คือ คาร์บอน-12 คาร์บอน-13 และคาร์บอน-14 โดยที่คาร์บอน-12 คาร์บอน-13 มีความเสถียร ส่วนคาร์บอน-14 ไม่เสถียรและเป็นไอโซโทปที่สามารถแผ่รังสี (Radioactive isotope) ตามธรรมชาติพบว่ามีคาร์บอน-12 ประมาณ 98.89% คาร์บอน-13 ประมาณ 1.11% และคาร์บอน-14 ประมาณ 0.00000000010% ดังนั้นมีโอกาสพบคาร์บอน-14 จำนวน 1 อะตอม ในสิ่งมีชีวิตที่มีคาร์บอน-12 ทุกๆ 1,000,000,000,000 อะตอม การเสื่อมสลายหรือความไม่เสถียรเนื่องจากสามารถแผ่รังสีได้ของคาร์บอน-14 จึงใช้เป็นพื้นฐานสำคัญในการคำนวณหาอายุของซากดึกดำบรรพ์ ซึ่งคาร์บอน-14 จะเกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศจากผลของรังสีคอสมิก (cosmic ray) แผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ ชนปะทะ (collision)กับอะตอมของสสาร ทำให้เกิดนิวตรอนที่มีพลังงาน (energetic neutron) ต่อมาไปชนปะทะกับอะตอมไนโตรเจน-14 (7 โปรตรอน + 7 นิวตรอน มีความเสถียร) เปลี่ยนเป็นคาร์บอน-14 (6 โปรตรอน + 8 นิวตรอน)และเกิดไฮโดรเจน 1 อะตอม (1 โปรตรอน + 0 นิวตรอน) ดังสมการ

neutron + 14Nitrogen ==> 14Carbon + proton

[cr: http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon-14]

[cr: http://seethethingis.wordpress.com/2012/04/12/carbon-14-decaying-into-carbon-12-its-not-exactly-science-is-it/]

คาร์บอน-14 ถูกออกซิไดซ์ (oxidise) อย่างรวดเร็วในบรรยากาศกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (14CO2) แล้วเข้าสู่ห่วงโซ่อาหาร (food chain) ของพืชและสัตว์บนโลกผ่านทางกระบวนการสังเคราะห์แสง (photosynthesis) หลังจากพืชและสัตว์ตายลงทำให้คาร์บอน-14 ซึ่งไม่เสถียรแผ่ออกไปสู่บรรยากาศอย่างรวดเร็ว นักวิทยาศาสตร์จะตรวจวัดปริมาณคาร์บอน-14 ที่เหลืออยู่ นอกจากนี้คาร์บอน-14 จะอยู่ในรูปสารละลายเกลือคาร์โบเนตในน้ำทะเลที่พืชและสัตว์สามารถดูดซึมหรือกินเข้าไปได้ หลังจากพืชและสัตว์ตายลงจะหยุดการดูดซึม/กินอาหาร ทำให้ไม่มีการนำสารประกอบคาร์บอนเข้าสู่ร่างกาย นั่นคือ ไม่มีการเพิ่มปริมาณคาร์บอน-14

Libby และคณะ (ค.ศ.1949) ทดลองวัดอัตราการสลายของคาร์บอน-14 โดยที่พบว่าหลังจากระยะเวลา 5,568 ปี คาร์บอน-14 จะสลายไปในปริมาณครึ่งหนึ่ง ต่อมามีการปรับระยะเวลาเป็น 5,568?30 (5,538-5,598) ปี ตัวเลขนี้เรียกว่า Libby half-life หลังจากระยะเวลา 10 ครึ่งชีวิตจะพบปริมาณของคาร์บอน-14 น้อยมาก และในกระบวนการสลายตัวของคาร์บอน-14 (6 โปรตรอน + 8 นิวตรอน) จะปลดปล่อยไฮโดรเจน 1 อะตอม (1 โปรตรอน + 0 นิวตรอน) และเปลี่ยนเป็นอะตอมไนโตรเจน-14 (7 โปรตรอน + 7 นิวตรอน) พร้อมกับเกิดอิเล็กตรอนที่มีพลังงานประมาณ 160 kilo electron volt (keV) ดังสมการ

14Carbon ==> 14Nitrogen + electron (beta particle) + electron antineutrino
[cr: http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon-14]

ซึ่งปริมาณอะตอมไนโตรเจน-14 เกี่ยวข้องกับความสัมพันธ์เชิงปริมาณของการสลายตัวอะตอมคาร์บอน-14 และการเกิดอิเล็กตรอนซึ่งการสลายตัวนี้ค่อนข้างคงที่แต่เกิดขึ้นไม่ต่อเนื่อง วิธีนี้เหมาะสำหรับคำนวณหาอายุซากฟอสซิลที่มาอายุ 50-60,000 ปี (เกิน 60,000 ปี ใช้วิธี potassium-argon dating technique) คาร์บอน-14 ซึ่งไม่เสถียร สลายเป็นไนโตรเจนเรียกว่า การสลายให้อนุภาคบีตา(Beta decay) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออัตราส่วนระหว่างนิวตรอนและโปรตอนสูงเกินไป (1-1.6) นิวตรอนจะเกิดการแปลงนิวเคลียสเป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และแอนตินิวตริโนและมีการปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมาจากนิวเคลียส ซึ่งอิเล็กตรอนที่ถูกปลดปล่อยออกมานี้เองเรียกว่า อนุภาคบีตา อนุภาคชนิดนี้ไม่ได้ถูกปลดปล่อยออกมาเพียงพลังงานเดียว แต่จะเป็นสเปคตรัม เนื่องจากพลังงานที่ได้จากการสลายจะเป็นพลังงานของบีตาและแอนตินิวตริโน ทำให้บีตาที่เกิดขึ้นจากการสลายนิวไคลด์ (Nuclide : อะตอมที่ระบุคุณสมบัติของนิวเคลียส โดยแสดงจำนวนโปรตอน นิวตรอน อย่างชัดเจน) หนึ่งๆ จะมีสเปคตรัมของพลังงานแบบต่อเนื่อง (Continuous spectrum) โดยมีค่าพลังงานตั้งแต่ศูนย์ถึงค่าสูงสุด นิวไคลด์แต่ละชนิดจะปลดปล่อยบีตาที่มีพลังงานแตกต่างกันเป็นลักษณะเฉพาะ ซึ่งเป็นอีกหนึ่งวิธีที่สามารถใช้จำแนกนิวไคลด์แต่ละชนิดได้ โดยปรกติพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากบีตาหนึ่งอนุภาคจะมีค่าประมาณ 1/3 ของพลังงานสูงสุด นิวไคลด์กัมมันตรังสีของคาร์บอน-14 จะสลายตัวให้แต่บีตาอย่างเดียวเช่นเดียวกับฟอสฟอรัส-32 (P-32) สตรอนเชียม (Strontium; Sr-90) อิตเทรียม (Yttrium; Y-90) เป็นต้น

 

[cr: http://science.howstuffworks.com/environmental/earth/geology/carbon-141.htm]

ปัจจุบันเทคนิคนี้นำไปประยุกต์ใช้วัดอายุของวัตถุโบราณได้ สามารถไขปริศนาอายุของซากฟอสซิลได้ปกติแล้วธาต์คาร์บอนธรรมชาติจะเป็นประเภทคาร์บอน-12 แต่เมื่อรังสีคอสมิกจากอวกาศส่องลงมากระทบกับไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศของโลกจะก่อให้เกิดสารคาร์บอน-14 ขึ้นซึ่งหากพืชหายใจเอาก๊าซชนิดนี้เข้าไปเพื่อทำการสังเคราะห์แสงแล้วสิ่งมีชีวิตอย่างมนุษย์หรือสัตว์กินพืชชนิดนั้นเข้าไป ร่างกายของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ จะมีสารคาร์บอน-14 เจือปนอยู่เมื่อสิ่งมีชีวิตนั้นกลายเป็นซากฟอสซิลแล้วก็ตาม นักวิทยาศาสตร์วัดค่าปริมาณคาร์บอน-14 ที่หลงเหลืออยู่ในซากฟอสซิลและคำนวณอัตราการสลายตัวของคาร์บอน-14 ตามหลักการที่ว่าคาร์บอน-14 จะเริ่มสลายตัวในทุกๆ 5,730 ปี โดยจะสลายตัวไปครึ่งหนึ่งจึงทำให้นักวิทยาศาสตร์รู้อายุของซากฟอสซิลได้ทันที รวมถึงการหาอายุของซากศพโบราณ เครื่องหุ่งห่ม/สิ่งของเครื่องใช้ทำจากพืช/สัตว์

 


บรรณานุกรม
สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ http://www.nstda.or.th]
http://kanchanapisek.culture.go.th
http://www.nobelprize.org
http://www.c14dating.com/int.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon-14
http://science.howstuffworks.com/environmental/earth/geology/carbon-141.htm
http://www.youtube.com/embed/81dWTeregEA
http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon-14
http://www.propheticvoice.co.uk/index.php?categoryid=14
http://www.oaep.go.th

หมายเหตุ บทความนี้ผู้เขียนเกิดแรงบันดาลใจจากการเห็นซากกระดูกไดโนเสาร์ที่ภูกุ้มข้าว อ.สหัสขันธ์ จ.กาฬสินธุ์ และเผยแพร่ทาง http://www.pinteacher.com

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *