logo

logo

logo

logo

logo

التأريخ ب-الكربون المشع

تاريخ بكربون مشع

Radioactive Carbon dating -

التأريخ بالكربون المشع

مبدأ الطريقة

الأسس الفيزيائية والكيميائية لتقنية التأريخ بالكربون

طريقة التأريخ بالكربون

حساب عمر المواد المتعضية الميتة

أجهزة قياس الكربون المشع

موفق شخاشيرو

 

التأريخ بالكربون المشعّ radioactive carbon dating واختصاراً التأريخ بالكربون هو تقنية قياس إشعاعية تستعين بتفكك نظير الكربون لتقدير عمر المواد العضوية، مثل الخشب والجلد، التي يمكن أن يصل عمرها إلى قرابة 62000 عام. وقد ابتكر هذه الطريقة العالم الكيميائي الأمريكي ويلارد ليبي W.Libby عام 1949. ومنذ ذلك الحين أمكن معرفة عمر وثائق دينية تاريخية عثر عليها في مغاور قمران بالقرب من البحر الميت، وعمر الكفن المنسوب إلى السيد المسيح في مدافن تورينو الإيطالية، وكذلك عمر كثير من المومياءات المصرية التي استخدمت بدورها لمعرفة التسلسل التاريخي لمن حكم مصر في عصر الفراعنة.

مبدأ الطريقة

يحتوي جو الأرض عدة نظائر من الكربون بنسب ثابتة عموماً. وتتضمن هذه النظائر النظير الرئيسي المستقر والنظير غير المستقر . تمتص النباتات -بعملية الاصطناع الضوئي- هذين النظيرين من ثنائي أكسيد الكربون الموجود في الجو. وعندما تموت متعضية ما فإنها تحتوي النسبة النظامية من إلى ، وبما أن يتفكك إشعاعياً من دون وجود ما يعوض تفككه، لأن المتعضية ماتت ولم تعد تمتص ، فإن نسبة في المتعضية تتناقص بسرعة ثابتة معروفة.

ويطلق على الزمن الذي يتطلبه الكربون المشع كي ينقص نشاطه الإشعاعي إلى النصف اسم عمر النصف half- life. وعلى هذا الأساس فإن قياس النسبة في المادة العضوية يؤدي إلى تقدير عمرها. غير أنه وجدت في السجلات الماضية تذبذبات صغيرة عبر الزمن في نسبة إلى في الجو، وتمّ ذلك عبر دراسة الترسبات العميقة في الكهوف وغيرها. ويمكن بواسطة هذه السجلات التوصل إلى معرفة أدق لعمر المادة العضوية. ويستعمل التأريخ بالكربون استعمالاً واسعاً في تقدير عمر البقايا العضوية في المواقع الأثرية.

الأسس الفيزيائية والكيميائية لتقنية التأريخ بالكربون

للكربون نظيران ثابتان غير مُشعين: و، ونظير مشعّ هو . ويبلغ عمر النصف لهذا الكربون المشع نحو5730 عاماً. وعلى هذا الأساس فإن تركيزه في الجو يجب أن يتناقص بمرور الزمن، لكنه يتشكل بصورة ثابتة ومستمرّة في المحيط الجوي السفلي والعلوي بوساطة الأشعة الكونية cosmic rays التي تولد نترونات تضرب فتحوله إلى . ويتأكسد هذا الكربون المشع بأكسجين الجو متحولاً إلى الذي يمتصه المحيط الحيوي للأرض. وتمتص المحيطات معظمه، لكن القسم الباقي تمتصه المتعضيات الحية الموجودة على اليابسة، وعندما تموت هذه المتعضيات تصبح غير قادرة على امتصاص ثنائي أكسيد الكربون من الجو، ويتناقص فيها الكربون المشع بمرور الزمن. ويوضح الشكل (1) تمثيلاً للعملية السابقة بمراحلها المختلفة.

تعبر المعادلة (1) عن التفاعل الحاصل في الجوّ، والمؤدي إلى تشكل :

الشكل (1) مراحل توليد الكربون وتوزيعه وتحلله.

ويتفكك الكربون المشع مطلقاً أشعة بتا (المعادلة 2):

وإذا افتُرض أن تدفق الأشعة الكونية على كوكب الأرض كان ثابتاً خلال مئة ألف سنة مضت فإن الكربون المشع تشكل بمعدل ثابت، وبما أنه يتفكك إشعاعياً بمعدل ثابت فإن نسبة الكربون المشع إلى غير المشع ثابتة. وتبلغ هذه النسبة جزء من إلى جزء من . أما نظير الكربون الثابت فتبلغ نسبته قرابة من كل الكربون الموجود في الكرة الأرضية ومحيطها.

طريقة التأريخ بالكربون

توصَّل ويلارد ليبي W.Libby في منتصف أربعينيات القرن العشرين إلى أن تحلّل ( تفكك) الكربون المشع يمكن أن يقود إلى طريقة لتقدير عمر المادة العضوية. كان ليبي آنذاك استاذاً للكيمياء في جامعة شيكاغو. وقد نشر عام 1946 بحثاً اقترح فيه أن الكربون الموجود في المادة العضوية يمكن أن يحتوي على كربون مشع إضافة إلى الكربون غير المشع. وللتأكد من ذلك فحص ومساعدوه غاز الميثان المجموع من مجاري مدينة بالتيمور Baltimore الأمريكية فوجدوا أنه يحتوي على كربون مشع، في حين لايحتوي عليه غاز الميثان الناتج من النفط (البترول). وقد نُشِرت نتائج هذا البحث في مجلة Science عام 1947، وبيّن المؤلفون إمكان تعيين عمر المواد العضوية الحاوية الكربون.

ومثال ذلك أن عينتين من الخشب مأخوذتين من قبري الملكين المصريين زوسر Zoser وسنفرو .Sneferu وتعودان كما كان يعتقد إلى عاماً قبل الميلاد- تبين لدى فحصهما باستعمال طريقة التأريخ بالكربون المشع أنهما تعودان إلى نحو عاماً قبل الميلاد. وقد أدت هذه النتائج التي نشرت عام 1949 في مجلة Science إلى اندلاع ما يدعى "ثورة الكربون المشع" في علم الآثار، وقادت إلى تغيير كثير من التواريخ لأحداث وأزمنة وأمكنة تاريخية قديمة. وتقديراً لهذه الإنجازات حصل ليبي على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1960.

حساب عمر المواد المتعضية الميتة

عندما يكون النبات أو الحيوان حياً فإنه يتبادل الكربون مع محيطه، ولذلك فإن الكربون الذي تحويه المادة يحتوي على نسبة من هي ذاتها الموجودة في هذا المحيط. وعند موت هذه المادة العضوية فإنها تتوقف عن أخذ ، ويتابع الكربون المشع الذي تحويه تفككه، وتتناقص نسبته تدريجياً في المادة الميتة. وبما أن هذا الكربون المشع يتفكك بسرعة معروفة ومحددة لذلك فإنه يمكن تحديد التاريخ الذي ماتت فيه المادة من معرفة الكمية الباقية من فيها. يتفكك الكربون المشع وفق معادلة تفكك نيوكليد مشع (المعادلة 3):

حيث عدد ذرات الكربون المشع في العينة الأصلية في البداية ، وN عدد ذرات الكربون المشع المتبقية في الزمن t، ثابت التفكك (التلاشي). وعلى هذا الأساس فإن المعادلة السابقة يمكن أن تأخذ الشكل التالي (المعادلة 4):

والعلاقة (5) التي تربط بين ثابت التفكك وعمر النصف هي:

ومنه المعادلة (6):

وهكذا فإن تحديد نسبة في العينة المفحوصة إلى في المحيط العضوي يسمح بتحديد t أي عمر هذه العينة.

يفترض الحساب وفق المعادلة (6) عدة أمور، أهمها أن سوية في المحيط العضوي بقيت ثابتة عبر الزمن، وهو افتراض غير صحيح؛ ولذلك يجب إجراء بعض التصحيح باستخدام معطيات من مصادر أخرى. ويتم ذلك بواسطة منحنى معايرة وتقويم يستعمل لهذا الغرض. ولا تتجاوز تغيرات سوية في المحيط العضوي 3%. وهي تغيرات طفيفة خاصة بعوامل مثل الموقع الجغرافي والتركيب الجيولوجي والنشاط البشري والأدوار المناخية والبراكين والتلوث. وتجدر الإشارة في هذا المجال إلى أن حرق الوقود الأحفوري بكميات هائلة -وهو الأمر الذي يحصل في الكرة الأرضية منذ أكثر من مئة عام- يمكن أن يؤدي إلى تقليل نسبة الكربون المشع في المحيط العضوي، كما أن إجراء التجارب النووية في الجو في القرن العشرين أدى إلى زيادة نسبة الكربون المشع في المحيط العضوي للأرض. ولكن أغلب العلماء يعتقدون الآن أن نسبة الكربون المشع في المحيط العضوي قد تتذبذب مدة معينة، ولكنها تعود إلى ما كانت عليه بعد ذلك، بسبب السيل المستمر من الأشعة الكونية الذي يضرب محيط الأرض.

أجهزة قياس الكربون المشع

اعتمد الجهاز الأول الذي استعمل في هذا المجال عندما اكتشف ليبي هذه الطريقة على عداد غايغر Geiger counter، حيث كانت العينة على شكل كربون صلب وزنها قرابة 10-12 غراماً. وبعد ذلك استعملت العدادات الغازية التي يحول فيها الكربون إلى غاز مثل أو ، ثم يقاس إشعاع الغاز بعداد غايغر أيضاً. ووفق هذه الطريقة يمكن أن يصل وزن العينة إلى عُشْر الغرام. والطريقة الثالثة التي استعملت هي بالاعتماد على نُظُم الومضان السائلة liquid scintillation systems التي يحول فيها الكربون إلى بنزن عطري يقاس وميضه. والطريقة الأكثر استعمالاً حالياً هي عدّ ذرات الكربون المشع مباشرة باستعمال المسرعات الجزيئية، مثل أجهزة المطياف الكتلي التسريعية acceleration mass spectrometers، ويمكن بهذه الطريقة قياس إشعاع عينة من الكربون المشع لا يتجاوز وزنها مغ، وقد يصل عمرها إلى نحو ستين ألف عام.

وفي أواخر سبعينيات القرن العشرين اعتمدت طريقة مختلفة، حيث تعد ذرات الكربون المشع وغير المشع وتحسب النسبة .

تعد تقنية التأريخ بالكربون المشع إنجازاً علمياً ضخماً للبشرية؛ لأنها تسهم إسهاماً فعّالاً في تعرف تاريخ البشر وعاداتهم واهتماماتهم وإنجازاتهم قبل قرابة ستمئة قرن من العصر الحالي.

مراجع للاستزادة:

- T. L. Brown, et al., Chemistry: The Central Science, Prentice Hall, 2006.

- G. R. Choppin, et al., Radiochemistry and Nuclear Chemistry, Elsevier Inc, 2002.

- F. A. Cotton et al., Advanced Inorganic Chemistry, Wiley Interscience, 1999.


التصنيف : الكيمياء والفيزياء
النوع : الكيمياء والفيزياء
المجلد: المجلد السادس
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1107
الكل : 45275945
اليوم : 57820