تأريخ بالكربون المشع

السؤال: كيف يتم تحديد عمر المخطوطات القديمة؟

التأريخ باستخدام الكربون المشع هو التأريخ عن طريق تقنية الإشعاع بحيث يستخدم اضمحلال الكربون-14 14C لتقدير عمر المواد العضوية، مثل الخشب والجلود، وتصل إلى نحو 58,000 إلى 62,000 سنة ماضية.[1].التأريخ عن طريق الكربون اكتشف  عبر ويلارد ليبي في عام 1949، والذي حصل على جائزة نوبل في الكيمياء.
منذ إدخال التأريخ عن طريق الكربون، استخدمت هذه طريقة مرات عديدة، بما في ذلك عينات من مخطوطات البحر الميت، وكفن تورينو، و كذلك مع القطع الأثرية المصرية للحصول على التسلسل الزمني لللأسرات الفرعونية في مصر[2] و كذلك مع الأوتزي
(رجل الثلج[3]
).
يحتوي الغلاف الجوي للأرض نظائر مختلفة من الكربون، تقريبا بنسب ثابتة. وتشمل هذه النظائر: النظير المستقر الرئيسي 12C و النظير غير المستقر 14C. من خلال عملية التمثيل الضوئي، النباتات تمتص كلا نظائر ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.و عندما يموت الكائن الحي، فإنه يحتوي على نسبة قياسية بين 14C و 12C ولكن 14C يضمحل مع عدم وجود إمكانية التجديد، و بالتالي تختل النسبة بين 14C و 12C بمقدار ثابت ومعروف. و الوقت المستغرق للاضمحلال لنصف الكمية يسمى عمر النصف. و قياس النسبة المتبقية من النظير الكربوني في المواد العضوية يعطي تقديرا لعمرها (العمر الكربوني) [4]. ومع ذلك، فهناك تقلبات صغيرة في نسبة 14C إلى 12C في الغلاف الجوي، والتقلبات هذه سجلت في الطبيعة ويمكن ملاحظتها في حلقات بعض جذوع الأشجار و أحجار الكهوف. هذه السجلات تتيح للباحثين تعديل، أو " معايرة "التأريخ الكربوني، لإعطاء تقدير أكثر دقة للعينة. و أحد الاستخدامات الأكثر شيوعا من الكربون المشع هو تقدير عمر البقايا العضوية من المواقع الأثرية.
خلفية فيزيائية وكيميائية

الكربون لدية نظيرين غير مشع (مستقر) هما الكربون-12 12C والكربون-13 13C وهناك كميات ضئيلة من النظير (غير المستقر) الكربون-14 14C، المعروف أيضا باسم الكربون المشع. ونصف عمر14C (الوقت الذي يستغرقه نصف كمية معينة من 14C للاضمحلال) حوالي 5,730 سنة، لذا فإن تركيزه في الغلاف الجوي قد ينخفض على مدى آلاف السنين. ومع ذلك، فإنه يجري دوماً إنتاج 14C في الطبقة السفلى من الستراتوسفير والتروبوسفير العلوي بواسطة الأشعة الكونية، التي تولد بدورها النيوترونات التي تشكّل 14C عندما تضرب ذرات النيتروجين-14 14N.

توصف عملية تكوين الكربون-14 من قبل التفاعل النووي التالي، حيث n يمثل النيوترون و P يمثل بروتون:




n
+




7


14



N

+



→




6


14


C

+
p


{\displaystyle n+\mathrm {^{14}_{7}N^{+}} \rightarrow \mathrm {^{14}_{6}C} +p}


بمجرد إنتاج الكربون-14 يتحد بسرعة مع الأكسجين في الغلاف الجوي لتشكيل ثنائي أكسيد الكربون (CO2) و ثنائي أكسيد الكربون المنتج من هذه العملية ينتشر في الغلاف الجوي و يذوب في المحيط، و كذلك يتم تناولها من قبل النباتات من خلال عملية التمثيل الضوئي. الحيوانات تأكل النباتات، وفي نهاية المطاف، يتوزع الكربون المشع في جميع أنحاء المحيط الحيوي. وتسمى هذه العملية بدورة الكربون.
إذا فُرض أن تدفق الأشعة الكونية ظل ثابتا على مدى المئة ألف سنة الماضية، فالكربون-14 أُنتج بمعدل ثابت، و بما أنه كذلك فسيكون اضمحل بمعدل ثابت، وعلى ذلك تكون نسبة الكربون المشع إلى غير المشع ثابتة. 
وبناءً على هذه الافتراضات فستكون نسبة 14C إلى 12C في الطبيعة 1.5 جزء من 14C إلى 1012 جزء من 12C.
اكتشاف طريقة التأريخ باستخدام الكربون
في منتصف أربعينيات القرن الماضي ،أدرك ويلارد ليبي - الذي كان في جامعة شيكاغو- أن اضمحلال الكربون-14 قد يؤدي إلى وسيلة لتأريخ المادة العضوية. ليبي نشر ورقة في عام 1946 م و بيّن أن الكربون في المواد الحية قد يشمل الكربون-14 وكذلك الكربون غير المشع. ليبي وعدد ممن هم معه بدأوا بتجربة مع غاز الميثان الذي تم جمعه من الصرف الصحي في بالتيمور، و بعد فصل النظائر تبينوا أن العينات تحتوي على الكربون المشع (كربون-14).[5][6] .
على النقيض من ذلك، فغاز الميثان الناتج من النفط لم يحتوِ على أي نشاطٍ للكربون المشع. وقد لخصت النتائج في ورقة في دورية ساينس العلمية التي تنشرها الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم في عام 1947م، و علق الباحثون أن نتائجها تبين أنه سيكون من الممكن تأريخ المواد العضوية بناء على المواد التي تحتوي على الكربون فيها[5][7]. وهنا قام ليبي و جيمس ارنولد باختبارها على عينات من الخشب معروفة العمر، فقاما بأخذ عينتين من الخشب أُخذتا من قبر الفرعونين المصريين، زوسر و سنفرو، كانتا مؤرختين لـ 2625 قبل الميلاد زائد أو ناقص 75 عامًا، وعندما أرخت عبر الكربون المشع تبين أنها تعود إلى ما متوسطه 2800 قبل الميلاد زائد أو ناقص 250 سنة[8][9].هذه التجربة نشرت في دورية ساينس للعلوم في عام 1949م، وحينذاك بدأت " ثورة الكربون المشع " في علم الآثار، و سرعان ما أدت إلى تغييرات جذرية في التسلسل الزمني. وفي عام 1960م ، منحت جائزة نوبل في الكيمياء لليبي بسبب هذا الاكتشاف[10].
حساب العصور
مادام النبات أو الحيوان على قيد الحياة، فإنه يتبادل الكربون مع محيطه، بحيث أن نسبة الكربون-14 التي يحتويها ستكون لها نفس نسبة الكربون-14 في محيطه الحيوي. و بمجرد أن يموت، فإنه يتوقف عن اكتساب الكربون-14 و هنا يبدأ في الاضمحلال بمعدل ثابت مع الزمن من خلال اطلاق جسيمات بيتا ولا يتم تعويضه كما هو الحال للكائن الحي. بينما يبقى الكربون-12 ثابتا في جسم الكائن قبل الوفاة وبعده. 
المعادلة التي تحكم اضمحلال النظائر المشعة هي:




N
=

N

0



e

−
λ
t





{\displaystyle N=N_{0}e^{-\lambda t}\,}


حيث N0 هي عدد ذرات النظائر في العينة الأصلية (في الوقت t = 0).
N هو عدد ذرات الباقية بعد t من الوقت.
λ ثابت يعتمد على النظير ,وبالنسبة للكربون-14 فإن متوسط الوقت المتوقع قبل أن يخضع للإضمحلال الإشعاعي هو 8،267 سنة، وبالتالي فإن المعادلة أعلاه يمكن إعادة كتابتها بالشكل التالي[11].




t
=
8267
⋅
ln
⁡
(

N

0



/

N
)


{\displaystyle t=8267\cdot \ln(N_{0}/N)}


نسبة ذرات الكربون-14 في العينة الأصلية ( N0 ) تفرض أنها نفس نسبة الذرات في المحيط الحيوي.
حساب الذرات المتبقية في العينة N يسمح لنا بحساب الوقت t الذي يرمز لعمر العينة.
عمر النصف للنظير المشع يرمز له عادة بـ<i data-parsoid='{"dsr":[8870,8875,2,2]}'>T1/2 وهو في الكربون 5,730 وهذه العلاقة بين نصف العمر و متوسط العمر





T


1
2



=
τ
⋅
ln
⁡
2


{\displaystyle T_{\frac {1}{2}}=\tau \cdot \ln 2}


الحسابات المذكورة أعلاه ليست بتلك الدقة لأنا فرضنا عدة فرضيات فعلى سبيل المثال
فرضنا أن مستوى الكربون-14 ظل ثابت في المحيط الحيوي ,وفي الواقع، فإن مستوى الكربون-14 قد تفاوتت في المحيط الحيوي بشكل ملحوظ خلال السنوات السحيقة الماضية ، ونتيجة لذلك فإن القيم التي تقدمها المعادلة أعلاه ، لا بد من تصحيحها باستخدام بيانات من مصادر أخرى ، وذلك باستخدام منحنى المعايرة الذي سنتطرق له لاحقًا.[12]
خزان تبادل الكربون

يقصد بخزان تبادل الكربون الأماكن التي يمكن أن يخزن فيها الكربون في الطبيعة حيث تجري عملية التبادل نتيجة الاضمحلال بين كربون-12 وكربون-14. هناك تفاوت في نسبة التخزين وفي الوقت اللازم للنظير كربون-14 ليتشكل من الأشعة الكونية وليختلط مع نظائر الكربون الأخرى.[13] في الغلاف الجوي، حيث يتشكل 14C يوجد 1.9% من هذا النظير بالنسبة للكمية الكلية في جميع الخزانات، والكربون-14 الموجود فيه يحتاج إلى أقل من سبع سنوات للاختلاط.[14][15] تعد نسبة الكربون-14 14C إلى الكربون-12 12C في الغلاف الجوي كأساس بالنسبة لباقي الخزانات؛ حيث أنه في حال كان أي خزان آخر نسبة أقل من 14C إلى 12C يشير ذلك إلى أن الكربون أقدم وبالتالي فإن بعض من 14C قد اضمحل.[12]
إن سطح المحيط يعد مثالاً على ذلك، إذ أنه يحوي 2.4% من الكربون في خزان التبادل،[14] ولكن هناك حوالي 95% من 14C متوقع وجودها في حال كانت النسبة نفسها الموجودة في الغلاف الجوي.[13] إن الوقت المستغرق للكربون من الغلاف الجوي ليختلط مع سطح المحيط هو حوالي بضع سنين،[16] ولكن المياه الموجودة على السطح تختلط أيضاً مع المياه القادمة من أعماق المحيط، والتي لديها أكثر من 90% من الكربون في الخزان.[12] إن المياه في أعماق المحيط تستغرق حوالي 1,000 سنة كي تخضع لعملية تدوير من العمق إلى السطح، بالتالي فإن مياه السطح تحوي مزيجاً من مياه قديمة ذات محتوى منضب من 14C ومياه متشكلة حديثاً على السطح ذات محتوى من 14C بحالة توازن مع الغلاف الجوي.[12]
إن المخلوقات التي تعيش بالقرب من سطح المحيط لديها نفس نسبة 14C كالمياه التي تعيش فيها. باستعمال طريقة الحساب المعطاة في الأعلى لحساب عمر الحياة البحرية فإنها تعطي عمراً بشكل وسطي مقداره 400 سنة[17][note 2]. بالنسبة للمخلوقات التي تعيش على اليابسة فإنها على توازن أكبر مع الغلاف الجوي، وبالتالي فإن لها نفس نسبة 14C إلى 12C كما للغلاف الجوي.[13]
مقالات لها ارتباط
كربون-14
تأريخ الأرجون-أرجون
تأريخ إشعاعي
عمر النصف
علم تحديد أعمار الأشجار
علم الآثار
أرصاد الطقس السطحي
المصادر

ملاحظات

المراجع



تصنيف:اختراعات أمريكية
تصنيف:الحفظ والترميم
تصنيف:تأريخ
تصنيف:تأريخ إشعاعي
تصنيف:كربون
تصنيف:نشاط إشعاعي
تصنيف:نظائر الكربون
تصنيف:تأريخ بالكربون المشع