دانشمندان چگونه قدمت اشیاء را تعیین می‌کنند
توانایی مشخص کردن سن دقیق یک شی می‌تواند به ما بیاموزد که زمین چه زمانی تشکیل شد، به آشکار کردن اقلیم‌های گذشته کمک کند و به ما بگوید انسان‌های اولیه چگونه زندگی می‌کردند. اما دانشمندان چگونه این کار را انجام می‌دهند؟
تاریخ‌گذاری رادیوکربن متداول‌ترین روشی است که در حال حاضر برای تعیین سن اشیاء استفاده می‌شود. این روش شامل اندازه‌گیری مقدار کربن ۱۴ (یکی از ایزوتوپهای رادیواکتیو کربن - نسخه‌ای از اتم کربن با تعداد متفاوت نوترون) است. کربن ۱۴ در محیط به‌فراوانی یافت می‌شود. توماس هیگام، باستان‌شناس و متخصص تاریخ‌گذاری رادیوکربن در دانشگاه آکسفورد انگلیس، به لایو ساینس گفت: «وقتی این ایزوتوپ در اتمسفر تشکیل می‌شود، هر موجود زنده‌ای آن را جذب می‌کند.»
درحالی‌که رایج‌ترین فرم کربن شش نوترون دارد، کربن ۱۴ دارای دو نوترون اضافه است. این امر موجب می‌شود ایزوتوپ سنگین‌تر شود و از رایج‌ترین فرم کربن بسیار ناپایدارتر باشد. بنابراین پس از هزاران سال، کربن ۱۴ سرانجام تجزیه و یکی از نوترون‌های آن به یک پروتون و یک الکترون تجزیه می‌شود. درحالی‌که الکترون فرار می‌کند، پروتون به‌عنوان بخشی از اتم باقی می‌ماند و با یک نوترون کمتر و یک پروتون بیشتر به نیتروژن تجزیه می‌شود.
وقتی موجودات زنده می‌میرند، مصرف کربن ۱۴ را متوقف می‌کنند و مقداری که در بدن آن‌ها وجود دارد، روند آهسته‌ی فروپاشی رادیواکتیو را آغاز می‌کند. دانشمندان می‌دانند چقدر طول می‌کشد تا نیمی از مقدار مشخصی از کربن ۱۴ تجزیه شود؛ این مدت «نیمه‌عمر» نامیده می‌شود. این امر به دانشمندان کمک می‌کند سن یک قطعه ماده‌ی آلی (موارد مختلفی مانند پوست یا اسکلت یک جانور، خاکستر یا حلقه‌ی درخت) را با اندازه‌گیری نسبت کربن ۱۴ به کربن ۱۲ که در آن باقی مانده است و مقایسه‌ی آن مقدار با نیمه‌عمر کربن ۱۴ تعیین کنند.
نیمه‌عمر کربن ۱۴ برابر ۵۷۳۰ سال و برای دانشمندانی که می‌خواهند چند هزار سال اخیر از تاریخ را مطالعه کنند، ایده‌آل است. هیگام می‌گوید: «این زمان اساسا بخش جالب از تاریخ بشر را در بر می‌گیرد، منشأ کشاورزی و ایجاد تمدن‌ها: تمامی این موارد در دوره‌ی رادیوکربن اتفاق افتاده است.»
برندن کالتون، استادیار پژوهش از آزمایشگاه رادیوکربن در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، می‌گوید اشیائی که قدمت بیشتری دارند، بیش از ۹۹ درصد از کربن ۱۴ خود را از دست داده‌اند و مقدار بسیار کمی برای تشخیص باقی می‌ماند.
دانشمندان برای اشیاء قدیمی‌تر، از کربن ۱۴ به‌عنوان سنجه‌ای از سن استفاده نمی‌کنند. در عوض، آن‌ها اغلب ایزوتوپهای رادیواکتیو دیگر عناصر موجود در محیط را بررسی می‌کنند. برای قدیمی‌ترین اشیاء جهان، تاریخ‌گذاری اورانیوم‌توریوم‌سرب مفیدترین روش است. هیگام می‌گوید: «ما از آن برای تعیین سن زمین استفاده می‌کنیم.»
تاریخ‌گذاری رادیوکربن فقط برای موادی مفید است که زمانی زنده بوده‌اند؛ دانشمندان می‌توانند از تاریخ‌گذاری اورانیوم‌توریوم‌سرب برای تعیین سن اشیائی مانند سنگ‌ها استفاده کنند. در این روش، دانشمندان مقدار ایزوتوپهای رادیواکتیو مختلفی را اندازه‌گیری می‌کنند که همه‌ی آن‌ها به اشکال پایدار سرب تجزیه می‌شوند. این زنجیره‌های جداگانه از تجزیه با شکستن اورانیوم ۲۳۸، اورانیوم ۲۳۵ و توریوم ۲۳۲ آغاز می‌شود. تامی ریتنور زمین‌شناس دانشگاه ایالتی یوتا در مورد ایزوتوپهای مذکور می‌گوید:
آن‌ها همیشه ناپایدار هستند. این ایزوتوپهای والد، قبل از اینکه به شکل سرب درآیند، طی آبشار متفاوتی از رادیوایزوتوپ‌ها تجزیه می‌شوند.
هریک از این ایزوتوپ‌ها نیمه‌عمر متفاوتی دارند که از چند روز تا چند میلیارد سال متغیر است. دقیقا مانند تاریخ‌گذاری رادیوکربن، دانشمندان نسبت‌های بین این ایزوتوپ‌ها را محاسبه می‌کنند و آن‌ها را با نیمه‌عمرهای مربوطه مقایسه می‌کنند. دانشمندان با استفاده از این روش توانستند سن قدیمی‌ترین سنگی که تاکنون کشف شده است، مشخص کنند که بلور زیرکن ۴/۴ میلیارد ساله‌ای در استرالیا است.
روش تاریخ‌گذاری دیگری وجود دارد که به دانشمندان نمی‌گوید سن یک شیء چقدر است،؛ اما مشخص می‌کند که آخرین بار چه زمانی در معرض حرارت یا نور خورشید قرار گرفته است. این روش که «تاریخ‌گذاری لومینسانس» نامیده می‌شود، به‌گفته‌ی ریتنور، مورد علاقه‌ی گروهی از دانشمندان علوم زمین است که به مطالعه‌ی تغییرات مناظر طبیعی طی چند میلیون سال گذشته می‌پردازند. آن‌ها می‌توانند با استفاده از این روش کشف کنند چه زمانی یک یخچال طبیعی تشکیل شده یا عقب‌نشینی کرده است، چه زمانی سنگ‌ها در یک دره ته‌نشین شده‌اند یا چه زمانی سیلاب رسوبات را روی حوزه‌ی رودخانه تخلیه کرده است.
وقتی مواد معدنی موجود در این سنگ‌ها و رسوبات مدفون می‌شوند، در معرض تشعشع ساطع‌شده از رسوبات اطراف خود قرار می‌گیرند. این تابش الکترون‌ها را از اتم‌هایشان جدا می‌کند. برخی از الکترون‌ها به اتم‌های خود برمی‌گردند؛ اما برخی دیگر در حفره‌ها یا دیگر نقایص شبکه‌ی متراکم اتم‌های اطراف خود گیر می‌کنند.
مواجهه‌ی دوم با گرما یا نور خوشید موجب می‌شود این الکترون‌ها به موقعیت‌های اصلی خود برگردند. این دقیقا چیزی است که دانشمندان انجام می‌دهند. آن‌ها نمونه را در معرض نور قرار می‌دهند و وقتی الکترون‌ها دوباره به اتم‌ها برگردند، گرما و نور یا سیگنال لومینسانس ساطع می‌کنند. ریتنور می‌گوید: «هرچه شیء به مدت بیشتری مدفون مانده باشد، در معرض تابش بیشتری قرار می‌گیرد.» در واقع اشیائی که به مدت طولانی مدفون بوده‌اند و در معرض تابش‌های زیادی قرار گرفته‌اند، دارای تعداد زیادی الکترون غیر مستقر هستند که وقتی به اتم‌های خود برمی‌گردند، روشنایی ساطع می‌کنند. بنابراین، مقدار سیگنال لومینسانس به دانشمندان می‌گوید آن شیء چه مدت مدفون بوده است.
تاریخ‌گذاری اشیاء فقط برای درک سن جهان و نحوه‌ی زندگی انسان‌های باستانی مهم نیست و دانشمندان پزشکی قانونی از آن برای حل جرایم، از قتل گرفته تا جعل آثار هنری استفاده می‌کنند.
نظرات