เรียนรู้

การหาอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14

ทบทวนอะตอม

อะตอม (atom) คือ หน่วยพื้นฐานของสสาร ประกอบด้วย นิวเคลียส อยู่ตรงกลางอะตอม โดยภายในนิวเคลียสยังประกอบด้วย โปรตอน (proton) ที่มีประจุบวก และ นิวตรอน (neutron) ที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ซึ่งนิวเคลียสจะถูกห่อหุ้มล้อมรอบด้วยกลุ่ม อิเล็กตรอน (electron) ที่มีประจุลบ ซ้อนกันเป็นลำดับชั้นตาม ระดับพลังงานอิเล็กตรอน (electron shell) อะตอมทั่วไปจะมีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเท่ากับอิเล็กตรอนที่ล้อมรอบอยู่ ซึ่งในการแสดงคุณลักษณะของอะตอมในเชิงสัญลักษณ์ทางนิวเคลียร์แสดงได้ดังรูปล่างขวา

(ซ้าย) แบบจำลองโครงสร้างพื้นฐานของอะตอม (ขวา) การแสดงคุณลักษณะของอะตอมในเชิงสัญลักษณ์ทางนิวเคลียร์
  • C คือ สัญลักษณ์ธาตุ แต่ละชนิด เช่น C คือ คาร์บอน
  • A คือ เลขมวล ซึ่งหมายถึงจำนวนของอนุภาคโปรตอนและนิวตรอนที่มีอยู่ในอะตอม เทียบเคียงได้กับมวลของนิวเคลียส เนื่องจากอิเล็กตรอนมีมวลน้อยมาก
  • Z คือ เลขอะตอม โดยถ้า n = จำนวนนิวตรอน เลขมวล = เลขอะตอม + จำนวนนิวตรอน หรือ A = Z + n

ดังนั้นสัญลักษณ์นิวเคลียร์จึงทำให้รู้ว่าธาตุดังกล่าวนั้นมีอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน อย่างละเท่าใด ซึ่งธาตุต่างๆ ที่มีอยู่ในธรรมชาติ มีความเหมือนหรือคล้ายกันบ้างในบางธาตุ โดยนักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดและเรียกชื่อเฉพาะของความเหมือน ของอะตอมเอาไว้ 3 รูปแบบ ดังนี้

  • ไอโซโทป (isotope) หมายถึง อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันที่ มีโปรตอนเท่ากัน แต่มีเลขมวลและจำนวนนิวตรอนต่างกัน เช่น 12C และ 13C และ 14C หรือ คาร์บอน-12 คาร์บอน-13 คาร์บอน-14 เป็นไอโซโทปกัน (เลขอะตอม C = 6)
  • ไอโซโทน (isotone) หมายถึง ธาตุต่างชนิดกันที่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน แต่มีเลขมวลและเลขอะตอมไม่เท่ากัน เช่น 188O และ 199F เป็นไอโซโทนกัน มีนิวตรอนเท่ากันคือ n = 10
  • ไอโซบาร์ (isobar) หมายถึง ธาตุต่างชนิดกันที่มีเลขมวลเท่ากัน แต่มีมวลอะตอมและจำนวนนิวตรอนไม่เท่ากัน

ธาตุกัมมันตรังสี

หลังจากการค้นพบ ธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element) โดยอองตวน อองรี เบ็กเคอเรล (Becquerel H.) ในปี พ.ศ. 2438 ต่อมาในปี พ.ศ. 2449 เออเนสต์ รัทเธอร์ฟอร์ด (Rutherford E.) ก็พบว่าธาตุกัมมันตรังสีสามารถสลายตัวจาก ไอโซโทปคู่ตัวแม่ (parent) เป็น ไอโซโทปคู่ลูก (daughter) ชนิดใหม่ พร้อมทั้งแผ่รังสีออกมาในรูปของรังสีแอลฟา เบตาหรือรังสีแกมมา ซึ่งการสลายตัวและการแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสีดังกล่าว มีคุณสมบัติพิเศษ คือ ธาตุกัมมันตรังสีจะใช้เวลาคงที่ ในการสลายตัวจนมีปริมาณธาตุเหลือ 0.5 เท่า ของปริมาณธาตุเดิม ซึ่งเรียกว่า ค่าครึ่งชีวิต (half-life)

กัมมันตภาพรังสี หมายถึง ปรากฏการณ์ที่นิวเคลียสของ ธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element) ที่ไม่เสถียรปลดปล่อยอนุภาคหรือโฟตอน (รังสี) และกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ ธาตุกัมมันตรังสีสามารถสลายตัวได้เองอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา โดยไม่ขึ้นกับปัจจัยภายนอกใดๆ ทั้งสิ้น

การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี ตามหลักการ ค่าครึ่งชีวิต (half-life)

ตัวอย่างเช่น ธาตุอิริเดียม-131 มีค่าครึ่งชีวิต 8 วัน หมายถึง เมื่อเวลาผ่านไป 8 วัน ธาตุอิริเดียม-131 จำนวน 1 กรัม จะสลายตัวเหลือเพียง 0.5 กรัม และอีก 8 วันต่อมา จะเหลือธาตุอิริเดียม-131 จำนวน 0.25 กรัม และสลายตัวไปอย่างต่อเนื่องจนหมดไป โดยการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีสามารถแสดงได้ตามสมการ

กำหนดให้ N0 คือ ปริมาณตั้งต้นของธาตุกัมมันตรังสี l (lamda) คือ ค่าครึ่งชีวิต (half-life) ซึ่งแตกต่างกันในแต่ละธาตุ เช่น ยูเรเนียม-238 มีค่าครึ่งชีวิต 4,500 ล้านปี ในขณะที่ธาตุอิริเดียม-131 มีค่าครึ่งชีวิต 8 วัน เป็นต้น ซึ่งจากหลักการดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถประยุกต์ธาตุกัมมันตรังสีต่างๆ เพื่อใช้ หาอายุสัมบูรณ์ (absolute-age dating) ที่เรียกว่า การหาอายุจากหลักการทางกัมมันตรังสี (Radiometric Dating) ซึ่งก็ได้แก่ วิธียูเรเนียม-ตะกั่ว (U-Pb Dating) วิธีโปรแตสเซียม-อาร์กอน (K-Ar Dating) วิธีอาร์กอน-อาร์กอน (Ar-Ar Dating) วิธีรูบิเดียม-สทรอนเชียม (Rb-Sr Dating) และที่โด่งดังเป็นที่นินมกันมากที่สุดในแวดวงการหาอายุวัสดุทางธรณีวิทยาและโบราณคดี คือ วิธีคาร์บอน-14 (C-14 Dating หรือ Radiocarbon Dating) โดยวิธีการหาอายุต่างๆ เหล่านี้เหมาะกับวัตถุและช่วงอายุแตกต่างกัน สัมพันธ์กับค่าครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีในแต่ละธาตุที่ถูกนำมาใช้หาอายุ

การหาอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14

การหาอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14 (C-14 Dating หรือ Radiocarbon Dating) นำเสนอเป็นครั้งแรกโดย วิลเลี่ยม ลิบบี้ (Libby W.F.) ในปี พ.ศ. 2492 มีหลักการว่า รังสีคอสมิก (cosmic ray) จากดวงอาทิตย์ที่ส่งมายังโลกตกกระทบกับอะตอม ไนโตรเจน (N) ในชั้นบรรยากาศ นิวตรอนของรังสีคอสมิกจะรวมกับนิวตรอนของไนโตรเจน กลายเป็น คาร์บอน-14 ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสี และเมื่อรวมตัวกับอะตอมของออกซิเจนในอากาศจะเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่มีองค์ประกอบเป็นคาร์บอน-14 (14CO2 หรือ C-14) ปะปนกันอยู่กับโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ธรรมดา (12CO2 หรือ C-12) ที่มีอยู่โดยทั่วไปในอากาศ หลังจากนั้นทั้ง C-14 และ C-12 จะเข้าสู่ห่วงโซ่อาหารโดยการสังเคราะห์แสงของพืช สัตว์กินพืช คนกินทั้งสัตว์และพืช ดังนั้นอินทรียวัตถุทั้งหมดในโลก จึงประกอบด้วยทั้ง C-14 และ C-12 ในสัดส่วนโดยประมาณที่คงที่ คือ 1:1 ล้านล้านส่วน และเมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง หยุดการรับเข้าของ C-14 และ C-12 จากนั้นคาร์บอน-14 เริ่มสลายตัวไปเป็นไนโตรเจนตามค่าครึ่งชีวิต

แบบจำลองการเกิดและการส่งผ่านธาตุคาร์บอน-14 ในพืชและสัตว์

จากหลักการดังกล่าวและจากสมการการสลายตัว จึงสามารถหาอายุการตายของสิ่งมีชีวิตได้ โดยการตรวจวัดปริมาณค่า C-14 ที่เหลืออยู่ (N) ส่วนค่าปริมาณเริ่มต้นของ C-14 (N0) ประเมินจากปริมาณ C-12 และหารด้วย 1 ล้านล้าน ซึ่งจากค่าครึ่งชีวิตของ C-14 = 5,570 ดังนั้นเวลาที่ใช้ในการสลายตัว (t) หรืออายุของตัวอย่างตั้งแต่สิ่งมีชีวิตนั้นตายลงได้ ก็ประเมินได้จากสมการ

ข้อจำกัดของวิธีคาร์บอน-14

ข้อจำกัดของการหาอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14 คือ 1) ใช้ได้กับตัวอย่างที่เป็นอินทรียวัตถุเท่านั้น 2) ไม่สามารถใช้เทคนิคนี้ตรวจวัดอายุตัวอย่างที่มีอายุแก่กว่า 54,000 ปี ได้อย่างถูกต้อง เนื่องจาก C-14 ที่มีอยู่ในตัวอย่างอาจจะหลงเหลืออยู่น้อยมากหรืออาจสลายตัวไปหมด และ 3) ไม่สามารถตรวจวัดอายุตัวอย่างที่มีอายุน้อยกว่า หรือตายหลังจากปี ค.ศ. 1950 (พ.ศ. 2492) ได้เนื่องจาก ในช่วงเวลาดังกล่าวเป็นช่วงเริ่มต้นการปฏิวัติอุตสาหกรรมและมีการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (C-12) ออกสู่บรรยากาศ ส่งผลให้อัตราส่วนระหว่าง C-14 และ C-12 เปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก จึงไม่สามารถเทียบสัดส่วนเพื่อประเมิน C-14 เริ่มต้น (N0) ได้

BP ย่อมาจาก Before Present ซึ่งตัวย่อนี้จะใช้เฉพาะในกรณีของการหาอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14 เท่านั้น และคำว่า present หรือ ปัจจุบัน ในความหมายของวิธีคาร์บอน-14 หมายถึง ปี ค.ศ. 1950 ทั้งนี้เนื่องจากข้อจำกัดในการหาอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14 ที่สามารถตรวจวัดได้เฉพาะตัวอย่างที่มีอายุก่อน ปี ค.ศ. 1950 โดยตัวอย่างที่นำไปหาอายุหากตายหลังปี ค.ศ. 1950 ผลการหาอายุจะรายงานในรูปของคำว่า “post bomb” ซึ่งหมายความว่าตัวอย่างดังกล่าวตายหลัง ปี ค.ศ. 1950 ส่วนในกรณีที่ตัวอย่างนั้นสามารถหาอายุได้ด้วยวิธีคาร์บอน-14 เช่น ตัวอย่างถ่านอายุ 1,000 year BP หมายความว่า ตัวอย่างนั้นตายในปี ค.ศ. 1950-1,000 = ค.ศ. 950 เป็นต้น

การหาอายุแบบดั้งเดิมและแบบ AMS ต่างกันอย่างไร

ถ้าใครมีโอกาสได้ใช้ หรือเฉียดเข้าไปใกล้สถานการณ์ที่ต้องส่งตัวอย่างไปหาอายุโดยวิธีคาร์บอน-14 ก็จะพบว่ามีทางเลือกให้เราอยู่ 2 ทาง ในการเลือกส่งตัวอย่างไปหาอายุ ทางแรกก็คือ 1) การหาอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14 แบบดั้งเดิม (Conventional Radiocarbon Dating) ส่วนอีกข้างหนึ่ง 2) การหาอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14 แบบ AMS (AMS Radiocarbon Dating) ซึ่งเราก็จะได้ยินกันอยู่บ่อยๆ หลายคนอาจจะไม่รู้ว่า 2 แบบนี้ มันเหมือนหรือต่างกันอย่างไร แต่ที่แน่ๆ ราคาค่าบริการในการหาอายุ ถูก-แพง ต่างกันแบบหูฉี่ แบบดั้งเดิมราคาหลักพันต้นๆ ในขณะที่แบบ AMS ราคาอยู่ที่ 10,000-30,000 บาท ต่อตัวอย่าง แล้วมันวิเศษวิโสต่างกันอย่างไรทำไมราคามันถึงได้แพงต่างกันอย่างนี้

เอาจริงๆ หลักการในการหาอายุของทั้ง 2 ทางเลือกนั้น เหมือนกันแทบทุกอย่าง แต่ที่แตกต่างกันก็คือเทคนิคในการเตรียมตัวอย่างก่อนที่จะตรวจวัดเท่านั้น วิธีแบบดั้งเดิมก็จะมี step by step ในการนำตัวอย่างทางมาสกัดให้เหลือถ่านบริสุทธิ์ ส่วนแบบ AMS เป็นวิธีการใช้เครื่องมือนำสมัยมาสกัดตัวอย่าง

คำว่า AMS ย่อมาจาก Accelerator Mass Spectrometry ซึ่งด้วยศักดิ์และสิทธิ์ ก็แค่คือเครื่องเร่งอนุภาคประเภทหนึ่ง ไม่ใช่เครื่องหาอายุโดยวิธีคาร์บอน-14 โดยตรง ซึ่งจากหลักการที่ว่ามวลของธาตุแต่ละชนิดไม่เท่ากัน เมื่อได้รับความเร่งเข้าไป มวลดังกล่าวจะวิ่งด้วยความเร็วแตกต่างกัน และสามารถแยกหรือสกัดธาตุแต่ละชนิดที่มีมวลต่างกันออกจากกันได้อย่างบริสุทธิ์ผุดผ่อง ซึ่งด้วยความล้ำๆ นำสมัยและประสิทธิภาพของเครื่อง AMS ทำให้การหาอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14 แบบ AMS นั้นใช้ตัวอย่างน้อยมาก ว่ากันว่าตัวอย่างแค่หัวไม้ขีดไฟก็เพียงพอต่อการหาอายุด้วยแบบ AMS ทั้งนี้ก็เพราะเครื่อง AMS สามารถสกัดตัวอย่างถ่านได้อย่างละเมียด ทุกกระเบียดนิ้ว ในขณะที่การสกัดตัวอย่างแบบดั้งเดิมอาจจะต้องใช้ตัวอย่างในปริมาณมากกว่าหลายเท่า อีกทั้งความบริสุทธิ์ที่ AMS ก็ทำได้ดีมาก ส่งผลให้การนับธาตุกัมมันตรังสีและการหาอายุนั้นมีความแม่นยำ มากกว่าวิธีแบบตั้งเดิม

หน้าตาเครื่องมือ AMS ระโยงระยางเหมือนกับห้องทดลองกลางอวกาศ

ดังนั้นกล่าวโดยสรุป การหาอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14 แบบดั้งเดิม ต้องใช้ตัวอย่างปริมาณมากกว่าแบบ AMS และผลการหาอายุก็มีความถูกต้องแม่นยำน้อยกว่าแบบ AMS แต่มีราคาถูกกว่ามาก ถึงแม้ว่าแบบ AMS นั้นจะมีราคาสูง แต่ด้วยการเรียกร้องตัวอย่างปริมาณน้อย ซึ่งก็เอื้อต่อข้อจำกัดการเก็บตัวอย่างหน้างานที่ว่าได้แค่นี้ก็บุญแล้ว รวมทั้งความแม่นยำในการหาอายุเพราะความบริสุทธิ์ในการสกัดตัวอย่าง ทำให้งานวิจัยมาตรฐานส่วนใหญ่จึงนิยมและยอมที่จะควักตังค์ เพื่อให้ได้มาซึ่งผลการหาอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14 แบบ AMS เพราะนั่นหมายความว่าอายุที่ได้นั้นน่าเชื่อถือและเป็นที่ยอมรับจากแวดวงงานวิจัยด้านต่างๆ ทั่วโลก

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth

Share: