ไอโซโทปคาร์บอน ¹⁴ ซ

กัมมันตภาพรังสีของไอโซโทปคาร์บอน ¹⁴ C

ไอโซโทป คือชุดของอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันที่มีเลขอะตอมเท่ากันและเลขมวลต่างกัน องค์ประกอบที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติส่วนใหญ่มีไอโซโทปมากกว่าหนึ่งไอโซโทป คุณสมบัติของพวกเขาอาจแตกต่างกันมาก เปอร์เซ็นต์ของไอโซโทปแต่ละตัวก็แตกต่างกันอย่างมากเช่นกัน ธาตุคาร์บอนมีสามไอโซโทป: ¹⁴ C, ¹³ C และ ¹² C โดยทั่วไปคือ ¹² C – มากกว่า 98%ในธรรมชาติมีน้อยกว่า ¹³ C ที่สามารถพบได้ ในทางกลับกัน ไอโซโทปกัมมันตรังสีของคาร์บอน– ¹⁴ C เกิดขึ้นบนโลกในปริมาณที่น้อยที่สุด แหล่งที่มาของมันคือปฏิกิริยานิวเคลียร์ของนิวตรอนความร้อน (จากแหล่งกำเนิดของจักรวาล) กับนิวเคลียสของไนโตรเจน พวกเขาเกิดขึ้นในสตราโตสเฟียร์ ไอโซโทปของคาร์บอน ¹⁴ C สลายตัวตามธรรมชาติ การสลายตัวของบีตาทำให้เกิดไนโตรเจนที่ไม่มีกัมมันตภาพรังสี ¹⁴ นิวตัน อิเล็กตรอน และแอนตินิวตริโน เมื่อเวลาผ่านไป ปริมาณของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี ¹⁴ C ในวัสดุจะลดลง ความเข้มของรังสีที่ปล่อยออกมาก็ลดลงเช่นกัน เวลาที่ปริมาณคาร์บอนกัมมันตรังสีลดลงครึ่งหนึ่งจะถูกกำหนดเป็นครึ่งชีวิต (ลักษณะเฉพาะของธาตุกัมมันตภาพรังสี) สำหรับไอโซโทปคาร์บอน ¹⁴ C คือ 5730 ปี ดังนั้น หลังจากเวลานี้ ส่วนหนึ่งของกัมมันตภาพรังสี ¹⁴ C จะเหลืออยู่ครึ่งหนึ่ง

เรดิโอคาร์บอนเดท

ไอโซโทปคาร์บอน ¹⁴ C ส่วนใหญ่ซึ่งสะสมอยู่ในชั้นบรรยากาศ จะถูกออกซิไดซ์เป็น ¹⁴ CO เมื่อรูปแบบนี้ทำปฏิกิริยากับอนุมูลไฮดรอกซิล (OH) มันจะถูกออกซิไดซ์เพิ่มเติมเป็น ¹⁴ CO ₂ ในทางกลับกัน คาร์บอนไดออกไซด์ ¹⁴ CO ₂ จะถูกปล่อยออกจากชั้นบรรยากาศสู่ชีวมณฑลและไฮโดรสเฟียร์ (เช่น การแพร่กระจาย การละลาย การสังเคราะห์ด้วยแสง) ¹⁴ C เรดิโอคาร์บอนเป็นส่วนประกอบของสารประกอบอินทรีย์หลายชนิด พวกมันดูดซึมในพืชหรือละลายในน้ำทะเล ความเข้มข้นของไอโซโทป ¹⁴ C ในชั้นบรรยากาศนั้นสูงกว่าระดับความลึกของมหาสมุทรหลายเท่า ดังนั้นจึงกลายเป็นตัวติดตามไอโซโทปตามธรรมชาติ ด้วยความช่วยเหลือของมันจึงเป็นไปได้ที่จะติดตามการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ หนึ่งในการใช้งานที่สำคัญที่สุดของไอโซโทป ¹⁴ C ที่เรียกว่าเรดิโอคาร์บอนเดท คาร์บอนไดออกไซด์ที่มีกัมมันตภาพรังสี ¹⁴ C แทรกซึมเข้าไปในสิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์ สิ่งมีชีวิตมีส่วนร่วมในวงจรการแลกเปลี่ยนเรดิโอคาร์บอนกับชีวมณฑล จากนั้นเนื้อหาของไอโซโทป ¹⁴ C จะคงที่ การเปลี่ยนแปลงนี้เมื่อสิ่งมีชีวิตตาย เมื่อสิ่งมีชีวิตตาย มันจะไม่ใช้คาร์บอน ¹⁴ C อีกต่อไป ดังนั้นปริมาณของมันจึงลดลงเรื่อยๆ การสลายตัวของไอโซโทปนี้เกิดขึ้นในอัตราที่กำหนดโดยกฎของการสลายตัวของมัน (การสลายตัวของอะตอม ¹⁴ C เมื่อเวลาผ่านไปจะอยู่ในรูปของฟังก์ชันเลขชี้กำลัง) สมมติฐานที่ยกมานี้กลายเป็นพื้นฐานสำหรับการกำหนดอายุของการค้นพบทางโบราณคดี ซึ่งเรียกว่าการหาอายุด้วยคาร์บอนกัมมันตภาพรังสี (หรือวิธีคาร์บอนกัมมันตภาพรังสี) การเปรียบเทียบอัตราส่วนของเนื้อหา ¹⁴ C และ ¹² C ในสารอินทรีย์ที่ตายแล้วและในบรรยากาศทำให้สามารถกำหนดอายุของเรดิโอคาร์บอน (เวลาจากการตายของสิ่งมีชีวิตจนถึงช่วงเวลาของการวัด) อายุของคาร์บอนกัมมันตภาพรังสีแบบเดิมถูกกำหนดโดยการเปรียบเทียบเนื้อหาของไอโซโทปคาร์บอนทั้งสองในตัวอย่างทดสอบและในมาตรฐานชีวมณฑลสมัยใหม่

เทคนิค AMS สำหรับการวัดความเข้มข้นของคาร์บอนกัมมันตภาพรังสี ¹⁴ องศาเซลเซียส

การวัดปริมาณกัมมันตภาพรังสีคาร์บอน ¹⁴ C ในวัสดุมีความซับซ้อนและต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ ซึ่งทำให้กระบวนการทั้งหมดมีราคาแพง เทคนิคการเร่งความเร็ว AMS ใช้ประโยชน์จากความจริงที่ว่า ¹⁴ C นั้นหนักกว่าเล็กน้อยเมื่อเทียบกับ ¹² C (ประมาณ 1.17 เท่า) ทำการวัดแบบคู่ขนานของเนื้อหา ¹³ C เครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวลสารเร่งความเร็วใช้ในเทคนิค AMS ส่วนประกอบต่างๆ ของอุปกรณ์นี้ เช่น แหล่งกำเนิดไอออน เครื่องเร่งอนุภาค แม่เหล็กวิเคราะห์ หรือเครื่องวิเคราะห์ไฟฟ้าสถิต จะถูกวางไว้ตามด้านข้างของสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาด 5 x 5 ม. พวกมันเป็นห้องสุญญากาศสูงที่มีความยาวประมาณ 15 เมตร อุปกรณ์สามารถแบ่งออกเป็นส่วนพลังงานต่ำและส่วนพลังงานสูง ในการกำหนดอัตราส่วนของไอโซโทปของคาร์บอนแต่ละชนิด AMS สเปกโตรมิเตอร์จะวัดอะตอม ¹⁴ C, ¹³ C i ¹² C ที่ปล่อยออกมาจากแคโทด (ทำจากวัสดุทดสอบ) ไอออนของคาร์บอน (ที่ผลิตในแหล่งไอออน) จะถูกส่งตรงไปยังเครื่องเร่งความเร็ว พวกมันจะถูกเร่งและชนกับแม่เหล็กที่กำลังวิเคราะห์ จากนั้นพวกมันจะอยู่ในห้องดริฟท์ ซึ่งทำให้สามารถวัดกระแสไฟฟ้าของไอออนทั้งสองชนิดได้ ในที่สุด ไอออนของไอโซโทปคาร์บอนกัมมันตภาพรังสี ¹⁴ C หลังจากผ่านเครื่องวิเคราะห์ไฟฟ้าสถิตแล้ว จะมาถึงเครื่องตรวจจับที่ช่วยให้ทำการนับจำนวนได้ AMS สเปกโตรมิเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ล้ำสมัยมาก ทุกส่วนของอุปกรณ์และพารามิเตอร์การทำงานปัจจุบันถูกควบคุมโดยซอฟต์แวร์พีซีพิเศษ และสามารถควบคุมได้จากคอนโซล