دکتر ریموند رخشانی *
مقاله و فایل صوتی سی و دوم:
در بیشتر مَوارد، تاریخ گذاری بر چیزهایی که زمانی زنده بودند[۱] با بکارگیریِ واپاشی یا فُروکاهی کربن – ۱۴ با استفاده از ابزارهای فنی انجام می گیرد.
جانداران در طولِ زندگی خود به نحوی دایمی و مُستَمَر اتم های کربن جدید را در ساختار ملکولی خود جذب می کنند. هنگامیکه ارگانیسمی می میرد، جذبِ کربن به ساختارِ ملکولی آن متوقف می شود و از آنجا که کربن – ۱۴ باقیمانده در آن ارگانیسم با آهنگی یکنواخت واپاشیده یا فروکاسته می شود، نسبتِ آن ایزوتوپ به ایزوتوپ کربن – ۱۲ (که پایدار است و دچارِ واپاشی نمی شود) سن یا قدمتِ آن ارگانیسم را دقیقا معیّن می کند.[۲]
- از سال های دهه ی ۵۰ میلادی، با بکارگیریِ روش هایِ علمی و ابزار‌هایِ فنی شناخت، عمرسنجی کربن – ۱۴ شیوه ی متداول تاریخ گذاری بوده است[۳].
- کربن بطور طبیعی ۳ ایزوتوپ دارد[۴]. ایزوتوپ هایِ پایدارِ کربنِ – ۱۲ و کربنِ – ۱۳ بترتیب ۹۹ درصد و یک درصدِ کربنِ طبیعی را تشکیل می دهند.
- کربن – ۱۴ عنصری ناپایدار است و نیم عمری برابر با ۵۷۳۰ سال دارد و بطورِ طبیعی در جوّ یا آتمسفر از هر یک تریلیارد اتمِ کربن یکی کربن – ۱۴ است.
- اغلب کربن – ۱۴ از درهم کنشِ ذراتِ با انرژیِ بسیار بالا با اتم هایِ نیتروژن بوجود می آید.
همه ی جانداران از ملکول های کربن پایه[۵] تشکیل شده اند[۶].
- برای نمونه گیاهان ملکولِ دی اکسید کربن (CO۲) را در خود جذب کرده و می شکنند. سپس ملکولِ اکسیژن (O۲) را رهاکرده و کربن را در ساختِ گیاهی خود مورد استفاده قرار می دهند.
- حیوانات با خوردنِ گیاهان کربن را به خود جذب می کنند.
- چون ایزوتوپ ها از نظر شیمیایی یکسان هستند، جذبِ آنها در گیاهان و جانوران، همان نسبت هایی را دارند که در جوّ یا آتمسفر دارند.
- استخوان ها، چوب، ذغال، پشم، پنبه، پوست و مو و بسیاری ارگانیسم هایِ دیگر را می توان با چنین شیوه ای قدمت زد[۷].
تاریخ گذاری یا عمرسنجی کربنی با بکارگیریِ روش هایِ علمی و ابزار‌هایِ فنی شناخت بر آن اساس است که ارگانیسم های مرده دیگر کربن جذب نمی کنند و کربنِ – ۱۴ آنها واپاشیده یا فروکاسته می شود[۸].
- چون کربنِ – ۱۴ رادیوآکتیو است، نسبتِ کربن – ۱۴ به مجموع کربن -۱۲ و کربن – ۱۳ از زمانِ مرگِ ارگانیسم به طوری یکنواخت کاهش می یابد.
- چنین نسبتی مستقیماً و دقیقا قدمتِ هر چیزی را معیّن می کند.
- پس از گذشتن ۱۰ نیمعمر (حدودا ۶۰۰۰۰ سال) میزانِ کربن – ۱۴ باقیمانده بقدری ناچیز است که چنین شیوه ی تاریخ گذاری دیگر کارگر نیست[۹].
دو شیوه ی اجرایی مدرن برای شمارشِ کربن – ۱۴ بکار گرفته می شود. [۱۰]
- در شیوه ی نخست ماده ی موردِ مطالعه مانیتور شده، الکترون های آزاد شده یا گسیل شده از آن[۱۱] بدلیلِ واپاشی بتایی کربن – ۱۴ به نیتروژن – ۱۴ اندازهگیری می شوند[۱۲].
- این شیوه نیاز به حداقل چند گرم ماده دارد.
- شیوه ی دومِ “طیف نماییِ جرمِ اتمی[۱۳]” نامیده می شود که در آن ایزوتوپ های کربن، اتم به اتم، جدا و شمرده شده و نسبت ها اندازه گیری می شوند.
- برای تاریخ گذاری یا عمرسنجی دقیق، طیف نماییِ جرمِ اتمی تنها نیاز به چند میلی گرم از ماده دارد.
- برای ایجادِ اطمینان به صحتِ[۱۴] تاریخ گذاری کربنی دانشمندان دو عامل را در محاسبات خود در نظر دارند، یکی اینکه مطمئن شوند که کربنِ – ۱۴ جدیدی به نحوی مصنوعی در ماده معرفی نشده باشد و دیگر اینکه دانشمندان می دانند که آهنگِ تولید[۱۵] کربنِ – ۱۴ در آتمسفر ارتعاشاتی دارد که باید در نظر گرفته شود[۱۶].
اخیرا تکنیک هایِ مدرنی هم برای تاریخ گذاری یا عمرسنجی گچِ بناهای غیرارگانیک[۱۷] به کار گرفته شده است.
- گچِ بنایی ساخته شده از کربناتِ کلسیوم (CaCO۳) یعنی سنگِ آهک است.
- سنگِ آهک تا ۹۰۰ درجه حرارت داده می شود تا همه ی دی اکسید کربن خود را رها کرده و تنها آهکِ زنده[۱۸] (CaO) بجای بگذارد.
- با اضافه کردن آب به آهکِ زنده، هیدرواکسید کلسیوم (Ca(OH)۲) حاصل می شود.
- با ترکیب شدن دی اکسید کربن آتمسفر با آن هیدرواکسید کلسیوم گچِ بنایی خیسی حاصل می شود که برای تاریخ گذاری موردِ استفاده قرار می گیرد.
- با چنین شیوه ی مدرنی، برای نمونه ۸ کلیسای جزایر آلاند[۱۹] در فنلاند به سال‌های ۱۲۸۰ تا ۱۳۰۰ تاریخ گذاری یا عمرسنجی شدند که قبلا گمانِ می رفت که در قرن ۱۶ میلادی ساخته شده اند.
- آمفی تئاترِ مِریدا[۲۰] در اسپانیا (که تابلویِ آن ادعایِ ساختی قبل از میلاد داشت) بسال ۱۰۰ میلادی تاریخ گذاری شد.
- ویلا‌های زیبای شمالِ پرتقال که دبیرانِ کهن دربارِ پادشاهیِ آن کشور ساختِ آن را به دروغ به شاهی در سال ۱۰۰۰ میلادی منتسب کرده بودند، بسال ۵۸۰ میلادی تاریخ گذاری یا عمرسنجی شد.
- دانشمندان توانسته اند با استفاده از ابزارهای فنی مدرن و اندازه گیریِ اتم هایِ کربنِ نهفته در اجسام، تاریخ را دیگربار دقیقتر ارزیابی کنند[۲۱].
مطالعات و پژوهش های هسته ای موجب شد تا دانشمندان ابزارهای فنی پیچیده و ظریفی را به وجود آورند[۲۲] و بتوانند دیگربار بسی دقیق تر به موجودات و جهان و گیتی بنگرند[۲۳]. در اینجا لازم می بینم تا به متحول شدن علم نجوم که متاثر از این پیشرفت ها بود، بپردازم.
پینوشت ح
وقایع از ازل (بدو گیتی (تاکنون – روش و ابزارهای علمی شناخت
| TECHNIQUES and TOOLS
(How the Scientists Know) |
EVENTS | TIME |
| Hubble’s Law, Cosmic Microwave Background (CMB) fluctuations | Quarks fuse into protons and neutrons; Quark era ends and Hadron era begins. | ۱۰-۶ seconds |
| CMB photon ration | Nearly all protons and neutrons annihilate with their antiparticles; Lepton era begins. | ۱۰-۴ seconds |
| Baryon/CMB photon ratio | Nearly all electrons and positrons annihilate each other. | ۱ seconds |
| Quasar absorption lines | ۲H forms. | ۳ minutes |
| Abundances in oldest stars | ۳He, ۴He, and ۷Li form. | ۳ minutes |
| Details of CMB radiation | Atoms form, CMB breaks free, and matter rules. | ۳۸۰۰۰۰ years |
وقایع از ازل (بدو گیتی (تاکنون – روش و ابزارهای علمی شناخت
| TECHNIQUES and TOOLS
(How the Scientists Know) |
EVENTS | TIME |
| Ages of oldest stars | Milky Way galaxy forms. | ۱ billion years |
| ۲۶Al → ۲۶Mg in Meteorites | Nearby supernova triggers a gas-cloud collapse to form our solar system. | ۴.۵۶۵ x 10۹ years ago (ya) |
| ۸۷Sr/۸۷Rb clock | First meteorite material forms; our solar system is born. | ۴.۵۶ x 10۹ ya |
| ۱۲۸I + ۱۲۹I → ۱۲۸Xe + ۱۲۹Xe | Meteorites and pantesimals condense. | ۴.۵۵ x 10۹ ya |
| ۱۴۷Sm → ۱۴۳Nd decay | Moon formed by the collision of a giant plantesimal with Earth. | ۴.۵۰ x 10۹ ya |
| U and Th decay sequences | Oldest crystal rocks form. | ۳.۸۵ x 10۹ ya |
| ۱۳C/ ۱۲C ratios in zircons | Life emerges on Earth. | ۳.۸ x 10۹ ya |
| Banded iron deposits of Fe+O۲ | Atmospheric O۲ begins rising and fluctuating. | ۳.۸ to 1.8 x 10۹ ya |
وقایع از ازل (بدو گیتی (تاکنون – روش و ابزارهای علمی شناخت
| TECHNIQUES and TOOLS
(How the Scientists Know) |
EVENTS | TIME |
| Steranes (derived from steroids) present in Australian shales | First cells with nuclei emerge. | ۲.۵ x 10۹ ya |
| Zircon U → Pb dating of carbon and boron isotope-ratio anomalies and anomalous sedimentation patterns (e.g. cap-carbonates) | Last “snowball” Earth. | ۶۰۰ x 10۶ ya |
| Fossil records | Cambrian explosion. | ۵۲۵ x 10۶ ya |
| Fossil records | Greatest mass extinction in Earth’s history; 90% of all species disappear. | ۲۵۱ x 10۶ ya |
| Iridium layer; ۲۳۵U and ۲۳۸U decay | Chixulub meteor wipes out the dinosaurs. | ۶۴.۵ x 10۶ ya |
| Sea floor cores | Isthmus of Panama closes off Pacific and Atlantic Oceans. | ۳.۵ x 10۶ ya |
| Sea floor cores | Large-scale glaciers appear | ۲.۸ x 10۶ ya |
وقایع از ازل (بدو گیتی (تاکنون – روش و ابزارهای علمی شناخت
| TECHNIQUES and TOOLS
(How the Scientists Know) |
EVENTS | TIME |
| ۴۰Ar/۳۹Ar and۱۸O/۱۶O ratios | Orbit variations trigger monsoon cycles. | ۱۵۵۰۰۰ ya |
| Coral growth record | Sudden sea-level rise as previous ice age ends. | ۱۲۵۰۰۰ ya |
| ۱۴C dating of pollen mudwasp nests | Australian cave paintings created. | ۱۷۰۰۰ ya |
| Tree rings | End of last ice age. | ۱۰۹۰۰ ya |
| ۱۴C dating and isotope ratios | Oetzi the Iceman lived and died in the European Alps. | ۵۳۰۰ ya |
| Tree rings | Today’s oldest bristlecone pines sprouted. | ۴۹۰۰ ya |
| ۱۴C dating | Stonehenge built. | ۴۸۰۰ ya |
| ۱۴C dating | Egyptian pyramids built. | ۴۵۱۰ ya |
| ۱۴C dating | Oldest alphabet created by Phoenicians as in King Sesostris of Egypt Calendar. | ۳۸۸۱ ya |
وقایع از ازل (بدو گیتی (تاکنون – روش و ابزارهای علمی شناخت
| TECHNIQUES and TOOLS
(How the Scientists Know) |
EVENTS | TIME |
| ۱۴C dating of organic materials in paint | Pecos Cave paintings created. | ۳۸۶۵ ya |
| ۱۴C dating of plaster | Roman amphitheater in Merida, Spain built. | ۱۹۰۰ ya |
| ۱۳C/۱۲C ratios | Orinoco Indians cultivate beans and maize. | ۱۶۰۰ ya |
| ۱۴C in plaster | Elaborate Portuguese villas built in Roman style. | ۱۴۳۰ ya |
| Tree rings | Medieval Warm period; Vikings in Greenland. | ۱۴۰۰ to 600 ya |
| ۱۴C dating and ۱۳C/۱۲C ratios | Native Americans in Midwest USA learn to plant corn. | ۹۰۰ ya |
| ۱۴C in plaster and tree rings | Cathedrals in Aland Islands, Finland, built. | ۷۳۰ ya |
| Tree rings and carbon isotope ratios | Anasazi civilization in Chaco Canyon collapses. | ۷۱۰ ya |
| Tree Rings | Little Ice Age. | ۶۰۰ to 200 ya |
وقایع از ازل (بدو گیتی (تاکنون – روش و ابزارهای علمی شناخت
| TECHNIQUES and TOOLS
(How the Scientists Know) |
EVENTS | TIME |
| 14C in plaster | Tower in Newport, Rhode Island, built. | ۳۲۰ ya |
| Neutron activation | Spanish forger illustrates medieval manuscripts. | ۱۲۵ ya |
Williams, Robert, C. The Forensic Historian: Using Science to Re-examine the Past. Routledge, 2013.
Hale, J., Heinemeier, J., Lancaster, L., Lindroos, A. and Ringbom, A. Dating Ancient Mortar. American Scientist 91 (March-April 2003)
Kaplan, Nathan. From Cyclotrons to Cytochromes: Essays in Molecular Biology and Chemistry. Academic Press, 2013.
Texiera Guerra de Mendonca, Maria Lucia, and Patinatti Da Cruz, Rosana. Carbon-14 Dating by Liquid Scintillation Method with CO2 Absorbed. LAP Lambert Publishing Company, 2014.
carbon-based molecules
Loveland, Walter, D. and Morrissey, David, J. and Seaborg, Glenn, T. Modern Nuclear Chemistry. Wiley, 2017.
Latchana Kenney, Karen. Extreme Longevity: Discovering Earth’s Oldest Organisms. Twenty-First Century Books, 2018.
National Aeronautics and Space Administration (NASA.) Carbon and Hydrogen Isotope Composition and C-14 Concentration in Methane from Sources and from the Atmosphere: Implications for a Global Methane Budget. NASA, 2018.
Williams, Robert, C. The Forensic Historian: Using Science to Re-examine the Past. Routledge, 2013.
Lambert, J.B. Traces of the Past: Unraveling the Secrets of Archaeology Through Chemistry. Reading, MA: Helix Books, 1998.
emitted electrons
Lin, Bryan. Radiometric Dating. NY Research Press, 2015.
atomic mass spectroscopy
Accuracy of calculations
production rate
Gopalan, Kunchithapadam. Principles of Radiometric Dating. Cambridge University Press, 2017.
inorganic plaster
quicklime
Aaland Islands
Merida
International Atomic Energy Agency. Management of Waste Containing Tritium and Carbon-14. IAEA Publication, 2004
Loveland, Walter, D. and Morrissey, David, J. and Seaborg, Glenn, T. Modern Nuclear Chemistry. Wiley, 2017.
Muccino, Richard, R. Organic Syntheses with Carbon Fourteen. John Wiley & Sons, 1983.
————————————————————–
—————–
* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:
من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی سیستم‌ها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین می‌‌باشد. در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی کوشش می‌‌کنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی کنم.