ไขปริศนาอายุด้วย Carbon-14

หลายคนอาจจะเคยเห็นหรือได้อ่านข่าวเกี่ยวกับการพบวัตถุโบราณมามากมาย คงเกิดความสงสัยว่านักโบราณคดีหรือแม้กระทั่งนักธรณีวิทยาสามารถบ่งบอกอายุของสิ่งที่เขาขุดค้นพบได้อย่างไร ดังเช่น การขุดค้นพบซากมัมมี่ในเทือกเขาแอนดีส ที่ระบุว่ามีอายุไม่ต่ำกว่า 2,000 ปีมาแล้ว เขาเอาตัวเลขนี้มาจากไหน บทความนี้เราจะมาพูดถึงวิธีการที่นักวิทยาศาสตร์นิยมใช้ในการหาอายุของวัตถุ นั้นก็คือ การหาอายุโดยคาร์บอน-14ซึ่งสามารถใช้ในการตรวจสอบอายุของสิ่งที่เกิดขึ้นจากสิ่งมีชีวิต ดังเช่น กระดูก เสื้อผ้า ไม้ หรือเส้นใยพืชที่ใช้เพื่อกิจกรรมของมนุษย์ในขณะนั้น เป็นต้น

คาร์บอน-14 เกิดขึ้นได้อย่างไร

โลกของเราได้รับรังสีคอสมิก (cosmic rays) ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีพลังงานสูงมหาศาลจากอวกาศตลอดเวลา เมื่อรังสีคอสมิกทะลุผ่านมายังชั้นบรรยากาศของโลกจะเข้าชนกับอะตอมของไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศ อนุภาคนิวตรอนของรังสีคอสมิกจะเปลี่ยนอะตอมของไนโตรเจน-14 (โปรตอน 7 ตัว และนิวตรอน 7 ตัว) ไปอยู่ในรูปของคาร์บอน-14 (โปรตอน 6 ตัว และนิวตรอน 8 ตัว) และไฮโดรเจนอะตอม (โปรตอน 1 ตัว และไม่มีนิวตรอน) คาร์บอน-14 เป็นธาตุกัมมันตภาพรังสี ในขณะที่ธาตุคาร์บอนธรรมดาจะมีโปรตอนและนิวตรอนอย่างละ 6 ตัว และไม่เป็นธาตุกัมมันตภาพรังสี ในธรรมชาติตามปรกติจะมีปริมาณคาร์บอน-14 ที่น้อยนิดเมื่อเปรียบเทียบกับคาร์บอนธรรมดา เช่นในต้นไม้ที่ยังมีชีวิตอยู่ เราจะพบว่าจำนวนอะตอมของคาร์บอน-14 (สัญลักษณ์ C-14) ต่อจำนวนอะตอมของคาร์บอน-12 (C-12) จะเท่ากับ 1:1 ล้านล้าน

ภาพจาก Howstuffworks.com

ธาตุ C -14 มี ครึ่งชีวิต (half life) เท่ากับ 5,730 ปี ซึ่งหมายความว่าภายในเวลา 5,730 ปี ครึ่งหนึ่งของอะตอม C -14 ที่มีในวัตถุ จะสลายตัว และอีก 5,730 ปี ครึ่งหนึ่งของอะตอม C -14 ที่เหลือซึ่งก็คือ 1 ใน 4 ของของเดิมจะสลายตัว เป็นเช่นนี้ไปทีละครึ่งของ ที่มีในทุก 5,730 ปี จนกระทั่งอะตอมของ C -14 สลายตัวหมด และเพราะเหตุว่าความร้อน ความเย็น หรือความดันใดๆ ไม่สามารถ ชะลอหรือเร่งเวลาในการสลายตัวของอะตอมเหล่านี้ได้เลย ดังนั้นการรู้อัตราการสลายตัวของ C -14 ที่มีในวัตถุ จะทำให้นักวิทยาศาสตร์ รู้อายุของวัตถุนั้นได้ทันที

คาร์บอน-14 ในสิ่งมีชีวิต

เมื่อ C-14 รวมตัวกับออกซิเจนในอากาศจะได้โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ (¹⁴CO₂) ที่มีอะตอมของ C -14 เป็นองค์ประกอบ ซึ่งโมเลกุลพิเศษนี้ส่วนน้อยจะปะปนอยู่กับโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ธรรมดา (¹²CO₂) ในอากาศ แต่ส่วนใหญ่จะละลายหายไปในทะเล ดังนั้น เมื่อพืชหายใจก๊าซ ¹⁴CO₂ นี้เข้าไปเพื่อใช้ในปฏิกิริยาสังเคราะห์แสง แล้วสัตว์ หรือมนุษย์กินพืชเข้าไป เนื้อเยื่อในร่างกายของสัตว์และคนก็จะมี C -14 เจือปนทันที ปกติอัตราส่วนของ C-14 ต่อ C-12 ในอากาศและในสิ่งมีชีวิตทั้งหลายในช่วงเวลาหนึ่งๆ นั้นมีค่าค่อนข้างคงที่ แม้ว่า C-14 จะมีการสลายตัวอยู่เสมอ แต่ก็จะมีการทดแทนใหม่ด้วย C-14 ใหม่ในอัตราคงที่เช่นกัน ทันทีที่สิ่งมีชีวิตตาย กระบวนการหายใจหรือ บริโภค C -14 เข้าร่างกายก็จะหยุด จากนั้นอะตอมของ C -14 ที่มีอยู่ในร่างกายก็เริ่มสลายตัว โดยจะปลดปล่อยอนุภาคอิเล็กตรอน ที่มีประจุลบออกมาแล้วตัวอะตอม C -14 เองก็จะกลายเป็นอะตอมของไนโตรเจนไปในที่สุด

การหาอายุซากดึกดำบรรพ์

ทันทีที่สิ่งมีชีวิตตาย สิ่งมีชีวิตนั้นก็จะหยุดรับคาร์บอนอะตอมเข้ามาใหม่ แม้ว่าอัตราส่วนของ C-14 ต่อ C-12 ในขณะตายใหม่ๆ ยังมีเท่ากับสิ่งมีชีวิตทั่วไปที่ยังมีชีวิตอยู่ แต่ต่อไปก็จะไม่มีการเพิ่มคาร์บอน-14 ใหม่มาแทนที่ในการสลายตัว C-14 สลายตัวด้วยค่าครึ่งชีวิต 5,730 ปี ในขณะที่ปริมาณ C-12 ยังคงมีอยู่คงเดิม ด้วยการเทียบอัตราส่วนของ C-14 ต่อ C-12 ในตัวอย่างและเปรียบเทียบกับอัตราส่วนในสิ่งมีชีวิตปัจจุบัน ก็จะสามารถหาอายุเริ่มต้นของสิ่งมีชีวิตนั้นได้อย่างค่อนข้างแม่นยำ

สูตรที่ใช้คำนวณก็คือ

t = [ ln (N_f/N_o) / (-0.693) ] x t_1/2

เมื่อ ln คือ ลอการิทึมธรรมชาติ (natural logarithm),  N_f/N_o คือ สัดส่วนเปอร์เซนต์ C-14 ของตัวอย่างเทียบกับของสิ่งมีชีวิตปัจจุบัน, t_1/2 คือค่าครึ่งชีวิตขของ C-14

ตัวอย่าง ถ้าเราพบฟอสซิลที่มีปริมาณ C-14 เท่ากับ 10% เมื่อเทียบกับสิ่งมีชีวิตในปัจจุบัน ดังนั้นฟอสซิลนี้จะมีอายุ

t = [ ln (0.10) / (-0.693) ] x 5,730 ปี
t = [ (-2.303) / (-0.693) ] x 5,730 ปี
t = [ 3.323 ] x 5,730 ปี
t = 19,041 ปี

เนื่องจากค่าครึ่งชีวิตของ C-14 เท่ากับ 5,730 ปี ทำให้สามารถหาอายุของสิ่งมีชีวิตที่มีอายุได้ไม่เกิน 60,000 ปี อย่างไรก็ตาม หลักการของการหาอายุโดยคาร์บอน-14 สามารถประยุกต์กับการไอโซโทปอื่นๆ ได้ด้วย โพแทสเซียม-40 ก็เป็นอีกหนึ่งธาตุที่พบได้ตามธรรมชาติในร่างกายของเราและมีครึ่งชีวิต 1.3 พันล้านปี นอกจากนี้ยังมียูเรเนียม-235 (ครึ่งชีวิต 704 ล้านปี) ยูเรเนียม-238 (ครึ่งชีวิต 4.5 พันล้านปี) ทอเรียม-232 (ครึ่งชีวิต 14 พันล้านปี) และรูบิเดียม-87 (ครึ่งชีวิต 49 พันล้านปี)

การนำความสามารถของธาตุกัมมันตภาพรังสีมาใช้อายุทางตัวอย่างธรณีวิทยาทำให้ได้ค่าที่แม่นยำสูง อย่างไรก็ตามวิธีดังกล่าวนี้อาจจะไม่สามารถใช้ได้ในอนาคต โดยเฉพาะสิ่งมีชีวิตที่มีการปนเปื้อนจากการทดลองระเบิดกัมมันตรังปรมาณู ที่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงปริมาณธาตุกัมมันตภาพรังสี ทำให้ยากที่จะหาอายุที่แน่นอนได้

ข้อมูลเพิ่มเติม
http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon-14
http://science.howstuffworks.com/carbon-14.htm
http://www.obec.go.th/news/_develop_media/news12/songkha/pramote_p/sec01p01.html
http://www.physlink.com/Education/AskExperts/ae403.cfm