Karbon 14 Metodu

WF Libby ve ekibi 1950’lerde Chicago Üniversitesi’nde, karbon-14’ün bozunma oranına dayalı olarak organik materyalin yaşını tahmin etmek için bir yöntem geliştirdi. Karbon-14 tarihlemesi, birkaç yüz ile 50.000 yıl arasında değişen nesnelerin yaş tahminlerinde kullanılmaktadır.

Radyokarbon Tarihlendirme Nedir?

Radyokarbon yaş tayini, canlı organizmaların kalıntıları sonucu oluşan karbon bazlı malzemeler için objektif yaş tahminlerinin yapılmasını sağlayan bir yöntemdir. Numunede bulunan karbon-14 miktarı ölçülür ve uluslararası kullanılan bir referans standardı ile karşılaştırılarak yaş tahmin edilebilir.

Radyokarbon tarihleme tekniğinin modern insan üzerindeki etkisi, bu tekniğin 20. yüzyılın en önemli keşiflerinden biri haline gelmesini sağlamıştır. Bunun asıl nedeni başka hiçbir bilimsel yöntem, insanın sadece bugünü değil, binlerce yıl öncesinde de meydana gelen olayları anlamasını sağlamayı başaramadı. Arkeoloji ve diğer insan bilimleri teorileri kanıtlamak veya çürütmek amacıyla radyokarbon tarihlendirmeyi kullanmaktadır. Yıllar geçtikçe karbon 14 tarihlemesi jeoloji, hidroloji, jeofizik, atmosfer bilimi, oşinografi, paleoklimatoloji ve hatta biyotıpta da uygulama alanı buldu.

Radyokarbon Tarihlendirme Öncüsü

Amerikalı fiziko kimyacı Willard Libby, II.Dünya Savaşı sonrasında bir grup bilim insanı ile radyokarbon aktivitesini ölçen bir yöntem geliştirilmesine öncülük etti. Willard Libby, canlı maddede radyokarbon veya karbon-14 adı verilen kararsız karbon izotopunun var olabileceğini öne süren ilk bilim adamı olarak kabul edilmektedir.Libby ve ekibi organik numunede ilk radyokarbon tespitini özetleyen bir makale yayınladılar. Aynı zamanda, radyokarbonun bozulma oranını ilk ölçen ve yarı ömür olarak 5568 yıl ± 30 yılı belirleyen kişi de Bay Libby’di. Libby, radyokarbon tarihleme geliştirme çabaları nedeniyle 1960 yılında Nobel Kimya Ödülü’ne layık görüldü.

Radyakarbon Tarihinin Temel Prensipleri

Radyokarbon (karbon-14), kararsız ve zayıf bir radyoaktif olan karbon elementinin izotopudur. Kararlı izotoplar karbon-12 ve karbon-13’tür. Kozmik ışın nötronlarının nitrojen-14 atomları üzerindeki etkisi sonucunda atmosferin üstünde sürekli olarak karbon-14 oluşur. Karbondioksit oluşturmak amacıyla havada hızla oksitlenir ve küresel karbon döngüsüne girerler.

Bitkiler ve hayvanlar yaşamları boyunca karbondioksitteki karbon- 14’ü sindirirler. Öldüklerinde biyosfer ile karbon alışverişini durdururlar ve içerdikleri karbon-14 radyoaktif bozunma yasası tarafından belirlenen oranda azalmaya başlar. Radyokarbon tarihleme aslında radyoaktiviteyi ölçmek için geliştirilmiş bir yöntemdir.

Radyokarbon Ölçüm Yöntemleri

Herhangi bir numunenin karbon 14 içeriğini ölçmek için kullanılan üç temel teknik vardır;

• Gaz orantılı dedektör 
• Sıvı sintilasyon sayımı ve 
• Hızlandırıcı kütle spektrometresi

• Gaz orantılı dedektör, belirli bir örnek tarafından yayılan beta parçacıklarını sayan geleneksel bir radyometrik tarihleme tekniğidir. Beta parçacıkları, radyokarbon bozunması sonucu oluşan ürünlerdir. Bu yöntemde karbon numunesi, gaz orantılı sayaçlarda ölçüm yapılmadan önce ilk olarak karbondioksit gazına dönüştürülmektedir.
• Sıvı sintilasyon sayımı ,1960’larda popüler olan başka bir radyokarbon tarihleme tekniğidir. Bu yöntemde numune sıvı halde bulunur ve bir sintilatör eklenir. Bu sintilatör, bir beta parçacığı ile etkileşime girdiğinde ışık parlaması görülür. Her iki cihaz da sayımın yapıldığı ışık flaşını kaydettiğinde, numunenin içinde bulunan şişe iki fotoçoğaltıcı arasından geçirilir. 
• Hızlandırıcı kütle spektrometresi (AMS), bir numunenin radyokarbon içeriğini ölçmenin en verimli yolu olarak kabul edilen modern bir radyokarbon tarihleme yöntemidir. Bu yöntemde karbon-14 içeriği, mevcut karbon-12 ve karbon-13’e göre doğrudan ölçülmektedir. Yöntem beta parçacıklarını saymazken numunede bulunan karbon atomlarının sayısını ve izotopların oranını sayar.

Karbon-14 Tarihlendirmesinde Kullanılan Malzemeler

Tüm malzemeler radyokarbonla tarihlendirilemez, hepsi olmasa da çoğu organik bileşikler ile tarihlenebilir. Bir kabuğun aragonit bileşeni gibi bazı inorganik maddeler de, mineral oluşumunu atmosferle dengede olan karbon-14’ün emilimi ile gerçekleştirdiği sürece tarihlenebilir.Yöntemin başlangıcından bu yana radyokarbon tarihlendirilmesi yapılan maddelere örnek olarak; odun kömürü, odun, dallar, tohumlar, kemikler, kabuklar, deri, turba, göl çamuru, toprak, saç, çanak çömlek, polen, duvar resimleri, mercanlar, kan artıkları, kumaşlar, kağıt, parşömen, reçineler ve su verilebilir. Radyokarbon içerikleri analiz edilmeden önce olası kirleticileri ortadan kaldırmak amacıyla bu malzemeler üzerinde ön fiziksel ve kimyasal işlemler uygulanır.

Karbon Tarihlendirme Standartları

Yaşı bilinmeyen belirli bir örneğin radyokarbon yaşı, karbon-14 içeriği ölçülerek arka plan malzemelerin karbon-14 aktivitesi ile karşılaştırılarak belirlenebilir.

• Radyokarbon tarihleme laboratuvarları tarafından kullanılan ana standart, Maryland’deki Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nden elde edilen Oksalik Asit I’dir. Bu oksalik asit 1955’te şeker pancarından elde edildi.  Oksalik Asit I’in radyokarbon aktivitesinin yaklaşık %95’i, 1890’da fosil yakıt etkilerinden etkilenmemiş bir odunun mutlak radyokarbon standardının ölçülen radyokarbon aktivitesine eşittir. 

• Oksalik Asit I stokları neredeyse tamamen tükendiğinde, 1977 yılında Fransız pancar pekmezinden başka bir standart oluşturuldu. Yeni standart olan Oksalik Asit II’nin radyokarbon içeriği açısından Oksalik Asit I ile sadece küçük bir farka sahip olduğu belirlenmiştir. Yıllar içinde başka ikincil radyokarbon standartları da yapılmıştır.

• Arka plan malzemelerin radyokarbon aktivitesi, numune analizi sırasında elde edilen sonuçların etkisini ortadan kaldırmak için kullanılabilir. Arka plan radyokarbon aktivitesi ölçülür ve elde edilen değerler numunenin radyokarbon tarihleme sonuçlarından çıkarılır. Analiz edilen arka plan örnekleri genellikle kömür, linyit ve kireçtaşı gibi maddelerdir.

Karbon 14 Tarihlendirme Ölçümleri

Radyokarbon ölçümü, geleneksel radyokarbon yaşı (CRA) olarak adlandırılır. CRA metotları;

• Libby yarı ömrünün kullanımı 
• Oksalik Asit I veya II’nin veya modern radyokarbon standardı olarak herhangi bir uygun ikincil standardın kullanımı
• Güney Carolina’daki Peedee’deki karbonat standardı VPDB Kretase belemnit oluşumundaki -25.0’lık  karbon-12 / karbon-13 oranını normalleştirme veya baz değerini örnek izotopik fraksiyonlama ile düzeltme,
• Sıfır BP’yi (var olmadan önce) AD 1950 olarak tanımlama 
• Küresel radyokarbon seviyelerinin sabit olduğu varsayımı.

ÖNEMLİ NOT: Standart hatalar radyokarbon tarihleme sonucunda “±” değerleri ile rapor edilir.

Karbon-14 Nedir?

Kozmik radyasyondan gelen nötronların azot atomları ile reaksiyona girmesi sonucunda atmosferde karbon-14 oluşur;

₇¹⁴N+ ₀¹n→ ₆¹⁴C + ₁¹H

Bu reaksiyon sonucu oluşan karbon-14 dahil olmak üzere atmosferdeki serbest karbon, havanın bir bileşeni olan karbon dioksit oluşturmak amacıyla reaksiyona girebilir. Atmosferik karbon dioksitte (CO₂), her 1012 karbon-12 atomu başına yaklaşık bir karbon-14 atomu konsantrasyonu bulunur. Et yiyen bitkiler ve hayvanlar karbondioksit alır ayrıca atmosferle aynı oranına sahiplerdir. Bununla birlikte, bitki veya hayvanlar öldüğünde yiyeceklerden veya havadan karbon almayı bırakırlar. Radyoaktif bozunma mevcut  olan ¹⁴C/¹²C oranını değiştirir. Oranın ne kadar düştüğü ölçülerek bitki veya hayvanın yaşamasından bu yana ne kadar zaman geçtiğini tahmin etmek mümkündür. Karbon-14 bozunması:

¹⁴ ₆C → ¹⁴ ₇N + ⁰_-1e (Yarı ömür 5720 yıldır.)

Örnek:

Ölü Deniz Parşömenlerinden alınan artık bir kağıtta yapılan inceleme sonucunda, bugün yaşayan bitkilerde ¹⁴C/¹²C oranının 0.795 olduğu bulundu. Parşömenin yaşı yaklaşık olarak nedir?

Çözüm:

Karbon-14’ün yarı ömrünün 5720 yıl olduğu bilinmektedir. Radyoaktif bozunma birinci dereceden bir hız denklemidir. Bu da reaksiyonun aşağıdaki denkleme göre ilerlediği anlamına gelmektedir;

log¹⁰ X₀/X = kt / 2,30

X₀: Başlangıç zamanında radyoaktif malzeme miktarıdır.

 X: t süresinden sonra kalan miktardır.

 k: Bozunmaya uğrayan izotopun birinci dereceden hız sabitidir.

 Bozulma oranları genellikle birinci dereceden hız sabiti yerine yarı ömürler cinsinden ifade edilir.

k = 0,693 / t_1/2

yani bu problem için:

k = 0,693 / 5720 yıl = 1,21 x 10^-4 /yıl

log X0/X = [(1,21 x 10^-4 / yıl] x t] / 2,30

X = 0,795 X₀ 

 log X₀/X = log 1.000/0.795 =  log 1.26 = 0.100

 0,100 = [(1,21 x 10^-4 / yıl) x t] / 2,30

t = 1900 yıl olarak bulunur.

Hazırlayan: Rabiye Baştürk

Kaynak: 1 (Erişim: ) 2 (Erişim: )