פחמן-14

פחמן-14 או 14C הוא איזוטופ רדיואקטיבי נדיר של היסוד הכימי פחמן. הוא מכיל 6 פרוטונים, 8 נייטרונים ו-6 אלקטרונים. האיזוטופ התגלה ב־27 בפברואר 1940 במעבדה הלאומית לורנס ברקלי, על ידי מרטין קמן וסם רובן. על דעיכת פחמן-14 מתבססת שיטת תיארוך פחמן-14 - שיטת תיארוך רדיומטרי שהומצאה בשנת 1949 והיא אחת מהשיטות המדויקות ביותר להערכת גילם של ממצאים גאולוגיים וארכאולוגיים אורגניים. בטבע מצויים שלושה איזוטופים מרכזיים של פחמן: "פחמן-12" (המהווה כ-99% מהפחמן בטבע), "פחמן-13" (המהווה קצת פחות מ-1% מהפחמן בטבע), ופחמן-14, המהווה טריליונית מהפחמן בטבע (0.0000000001%), בעוד שסוגי הפחמן האחרים הם איזוטופים יציבים, פחמן-14 הוא איזוטופ רדיואקטיבי, כלומר, הוא דועך עם הזמן, והופך ליסוד אחר (לחנקן-14), כמתואר בנוסחה הבאה:   6 14 C →   7 14 N + e − + ν ¯ e {\displaystyle \mathrm {~_{6}^{14}C} \rightarrow \mathrm {~_{7}^{14}N} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}} קצב הדעיכה הוא קבוע, ונמדד בזמן מחצית חיים. זמן מחצית החיים של פחמן-14 הוא כ־5,730 שנים, כלומר בהינתן כמות מסוימת של פחמן-14, הרי שבמשך תקופת זמן זו, כחצי ממנו דועך והופך לגרעינים אחרים. ריכוז הפחמן-14 באטמוספירה יציב למדי, וזאת כיוון שבמקביל לדעיכת פחמן-14 והפיכתו לחנקן-14, אטומים של חנקן-14 הופכים בגובה האטמוספירה לפחמן-14, עקב אינטראקציה בה מחליף נייטרון את אחד הפרוטונים בחנקן-14 (מקור הנייטרונים הוא פגיעת קרינה קוסמית באטמוספירה). תהליך זה מביא לשיווי משקל בין היצירה להתפרקות, וכך מתקבל באטמוספירה ריכוז קבוע של האיזוטופ פחמן-14 יחסית לאיזוטופים האחרים של הפחמן. ניסויים גרעיניים באטמוספירה, שנערכו מאמצע שנות ה-50 של המאה העשרים ועד 1980, הביאו להכפלת ריכוז הפחמן-14 באטמוספירה. בעקבות חתימתה של האמנה למניעת ניסויים גרעיניים באטמוספירה, בחלל החיצון, ותחת פני המים, שנכנסה לתוקף באוקטובר 1963 הביאה לירידה הדרגתית של ריכוז הפחמן-14 באטמוספירה, עד לחזרתו לקרבת הריכוז הנורמלי בתחילת שנות ה-90. ערך מורחב – תיארוך פחמן-14 פחמן-14 מוטמע בצמחים יחד עם האיזוטופים האחרים של הפחמן תוך כדי תהליך הפוטוסינתזה. מהצמחים הוא עובר ליצורים חיים אחרים באמצעות שרשרת המזון. בתהליך הפוטוסינתזה יש הבדל מסוים בספיגה של צמחים מסוגים שונים את שלושת האיזוטופים של הפחמן, אך הבדל זה כמעט ואינו בא לידי ביטוי במדידות של מרבית הדגימות. שיעורו היחסי של פחמן-14 ביחס לאיזוטופים האחרים של הפחמן בצמח נותר זהה לשיעורו באטמוספירה. תהליך ספיגת הפחמן נעצר כמעט לחלוטין עם מותו של הצמח או של בעל החיים, ומאותו רגע שיעור הפחמן-14 בחומר הולך ופוחת עקב הדעיכה הרדיואקטיבית. לכן, אם ידוע היחס בין הפחמן-14 לאיזוטופי הפחמן האחרים באטמוספירה בתקופת החיים של הצמח או בעל החיים - ניתן לחשב את הזמן שעבר מאז על ידי מדידת היחס בין כמות הפחמן-14 בחומר, לבין כמותם של האיזוטופים היציבים של הפחמן. את השיטה פיתח בשנת 1949 הכימאי האמריקאי וילארד פרנק ליבי, שזכה בפרס נובל על עבודתו. התכונות הכימיות של פחמן-14 אינן שונות מאלה של פחמן-12. סינתזה של מולקולות שבהן הפחמן הרגיל מוחלף בפחמן-14 מאפשר מעקב אחר מולקולות אלה לשם פענוח תהליכים בטבע. דוגמאות: מעגל קלווין (או קלווין-בנסון, Calvin-Benson) הוא מסלול מטבולי המתרחש בצמחים וברוב מיני החיידקים הפוטוסינתטיים. מעגל קלווין מהווה את השלב בפוטוסינתזה שאינו מצריך אור. המעגל מנצל את אנרגיית האור שנקלטה בשלבים הקודמים של הפוטוסינתזה כדי להפיק פחמימות מפחמן דו-חמצני. מעגל קלווין-בנסון קרוי על שם שני מגליו, מלווין קלווין ואנדרו בנסון מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, שהשתמשו בפחמן-14 לשם גילויו. קלווין זכה על התגלית בפרס נובל לכימיה בשנת 1961. בשנת 1964, בעקבות מאמר שפרסם דוד שפירא ממכון ויצמן למדע על סינתוז ספינגומיילין, הוא התבקש על יד פרופ' רוסקו בראדי לסייע לו בסינתוז ליפידים מסומנים בפחמן-14 לצורך מחקר של מחלות גנטיות יהודיות. תחילה הם סינתזו גלוקוצרברוזיד והראו את הקשר בין מחסור בגלוקוצרברוזידאז לבין מחלת גושה. בשנת 1966 סינתזו ספינגומיילין מסומן בפחמן-14 לצורך מחקר מחלת נימן פיק. שתנן המסומן באיזוטופים (פחמן 14 - רדיואקטיבי, או פחמן 13 - איזוטופ יציב) משמש לבדיקת נשימה לגילוי הליקובקטר פילורי בקיבה ובתריסריון. הבדיקה מגלה את האנזים אוראז, המיוצר על ידי ההליקובקטר, בתגובה המייצרת אמוניה משתנן. תהליך זה מוריד את הpH של הקיבה מסביב לחיידק. ניתן לזהות בעזרת אותו מבחן מינים דומים להליקובטקר פילורי בחיות כגון קופים כלבים וחתוליים (גם חתוליים גדולים). איזוטופ פחמן פחמן-11 פחמן-12 פחמן-13 מדיה וקבצים בנושא פחמן-14 בוויקישיתוף פחמן-14, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) איך יודעים בן כמה ממצא ארכאולוגי?, באתר אנציקלופדית אאוריקה Roscoe O. Brady, The concept of Treatment in Lysomal Storage Diseases, in Lysosomal Storage Disorders, Springer Science & Business Media, 2007, pages 37-38