تنقسم العناصر في الكون إلى عناصر مشعة وعناصر غير مشعة (مستقرة)، هذه العناصر المشعة تنحل طبيعيًا نتيجة الإشعاع الناتج منها إلى عناصر أقل فى العدد الكتلي، وتتميز العناصر المشعة بأن لكل عنصر دورة إشعاعية مختلفة عن العناصر الأخرى، وله خاصية مميزة هي فترة عمر النصف؛ أي الفترة التى عندها يكون المتبقي فقط هو نصف كمية العنصر المشع الأولى, استطاع العلماء الاستفادة من هذه الخواص مجتمعة في استخدامها في قياس أعمار بقايا الكائنات الحية التي ماتت من آلاف السنين، والصخور، والحفريات. بدايةً، يجب أن نعرف ما هو التأريخ الإشعاعي.
(التأريخ الإشعاعي – radiometric dating):
هو تقنية تستخدم لتحديد عمر المواد مثل الصخور والحفريات وبقايا العظام, بناءًا على ما تحتوي من نظائر لها نشاط إشعاعي. تعتمد هذه التقنية على مقارنة ما تحتويه المواد من النظائر المشعة بشكل طبيعي إلى تلك العناصر الناتجة عن التحلل النووي للنظائر، وهذه الطريقة هي المصدر الرئيسي الذي يتم استخدامه لتحديد عمر الصخور ومعرفة السمات الجيولوجية للصخر، و تم الاعتماد على هذه الطريقة في تحديد عمر الأرض نفسها وأيضا تم استخدامها في تحديد عمر المواد البدائية التي صنعها الانسان قبل الحضارة.
هناك العديد من العناصر المشعة التي توجد في الصخور بالإضافة إلى الكربون المُكوِّن الأول للكائنات الحية، بالطبع هو أيضا يحتوي على نسبة مشعة. هذه بعض الطرق التي يمكن الاعتماد عليها في تحديد أعمار المواد:
(طريقة الكربون المشع – radiocarbon dating)
(طريقة البوتاسيوم- ارجون – potassium-argon dating)
(طريقة اليورانيوم – رصاص – uranium-lead dating)
تلك الطرق التي تم ذكرها، تُستخدم في إنشاء الجداول الزمنية الجيولوجية كما أنها تُشكل مصادر واضحة لتحديد معلومات عن زمن الحفريات الجيولوجية ومعدلات التطور الطبيعية في الكائنات الحية وتستخدم أيضا في تحديد عمر المواد الأثرية. وقد تم ثبوت دقتها في تحديد الفترات الزمنية المختلفة، كما أنها أيضا تُتيح تحديد الأزمنة لكثير من المواد لأنها تعتمد على تقنيات مختلفة لتحديد فترة الانحلال الإشعاعي.
كيف تتكون سلسة النشاط الإشعاعي؟
بعد انقضاء فترة عمر النصف؛ فإن النواة الأصلية تتحلل إلى (نويدات – nuclides) تُسمى «ابنة»، بالإضافة إلى النواتج الأخرى من عملية التحلل. في معظم الحالات فإن هذه النويدة «الابنة» تكون مشعة أيضا؛ ذلك يؤدي إلى تكوُّن دورة نشاط اشعاعي جديدة، هذه الدورة تنتهي مع تكون نويدة. وتتميز كل خطوة في هذه السلسلة بأن لها فترة عمر نصف مميز.
فماذا إذا كانت دورة عنصر ما تتكون من أكثر من فترة عمر نصف؟ في هذا الحالة يتم اعتماد اطول فترة عمر نصف على أنها هى الدورة الرئيسية، أما اذا كان للعنصر فترات عمر نصف متقاربة؛ في هذه الحالة سوف يكون لدي العلماء معلومات واضحة عن هذه الفترات وهل صالحة للدراسة ام لا.
فلنأخذ مثلاً إنحلال الرصاص-212 إلى رصاص-208، تنحل النواة الإبتدائية إلى نواة ثانوية عن طريق خروج جسيم بيتاβ أو ألفاα، الناتج النهائي في هذه الدورة هو الرصاص-208، وهو مستقر ولا يمكن أن يحدث له انحلال إشعاعي تلقائي مرة أخرى.
الدقة في تحديد التأريخ الإشعاعي للمواد غالبًا ما تَعتمد على:
- النوى الأولية يجب أن يكون لها فترة عمر نصف كبيرة, للحرص على أن تكون النوى الأولية موجودة بنسب ملحوظة في وقت قياس الإشعاع.
- تكون فترات عمر النصف معلومة مُسبقا وبدقة عالية.
- يجب أن يكون قد تم إنتاج ما يكفي من النوى الثانوية حتي يمكن تحديد نسبتها بدقة والتفرقة بينها وبين الأولية.
يمكن استخدام هذه العلاقة الرياضية في تحديد نسبة الانحلال الإشعاعي إلى الزمن الجيولوجي:
t: تعبر عن الوقت او الزمن الجيولوجي.
D: تعبر عن عدد ذرات النظائر الثانوية في العينة المأخوذة.
D0: عدد ذرات النظائر الثانوية في المادة الأصلية.
N: عدد ذرات النظائر الأولية في العينة خلال زمن t.
λ: ثابت التحليل الإشاعي للمواد الأولية وهو يساوي معكوس فترة نصف العمر للعنصر الأولي مقسومًا على اللوغاريتم الطبيعي للعدد.
طريقة استخدام نظير الكربون 14 لتحديد عمر الكائنات الحية :
الكربون-14، وهو نظير مشع للكربون ينتج في طبقات الجو العليا عن طريق الأشعة الكونية، وللكربون عديد من المركبات في الغلاف الجوي ومعظم الكمية من ثاني اكسيد الكربون، وكمية قليلة جداً من ثاني اكسيد الكربون تحتوي على النظير 14 (C-14)، يحدث له تحلل بإشعاعه لأشعة بيتا β معطيًا النيتروجين-14، وفترة عمر النصف للكربون المشع هي 5730 سنة. مثلا، في مصر تم اكتشاف قارب فرعوني قديم، وعن طريقة تحليل نسبة الكربون-14 في الخشب وُجِد أن عمر هذا القارب 4500 سنة.
دورة الكربون المشع داخل الكائنات الحية:
تمتص النباتات النظير 14 أثناء القيام بعملية البناء الضوئي؛ لذلك يندمج داخل الخلايا المكونة للنبات، وعندما تأكل الحيوانات تلك النباتات ينتقل إليها الكربون 14، وباستمرار الحيوانات على قيد الحياة؛ فإن نسبة الكربون المشع إلى الكربون الطبيعي تظل ثابتة، ولكن بموت الكائن الحي فان نسبة الكربون المشع به تقل، وعن طريق دراسة نسبة الكربون المشع إلى نسبة الكربون غير المشع يمكن تحديد عمر بقايا هذا الكائن الحي بدقة.
تذكر أن الكربون المشع يُستَخدم فقط لتحديد عمر الكائنات الحية ولكن لا يمكن استخدامه لتحديد عمر الصخور، مثل صخور القمر او المذنبات. ولتحديد أعمار هذه الأشياء يتم استخدام تقنيات أخري مثل نظير البوتاسيوم-40
هل يمكن تحديد عمر الصخور والحفريات؟
يمكن استخدام نظائر أخري في دراسة أعمار الحفريات والمواد الصلبة. مثلا، تم استخدام نظير اليورانيوم 238 U-238)) الذى يستغرق فترة عمرية كبيرة كي يقضى فترة عمر النصف، وفترة عمر النصف له تعادل 2*10^9 سنة، وبعد هذه الفترة يتحول إلى عنصر ثابت هو الرصاص206، ويمكن معرفة عمر الصخر عن طريق تحديد نسبة الرصاص 206 إلى اليورانيوم 238.
إعـــداد : عبدالعزيز محمد
مراجعة : Amira Esmail
المصادر
