hamedharrafi
14th January 2009, 03:29 PM
نقش علم شيمي در تعیین سن آثار فرهنگی و هنری
گردآوري: حامد حرافي
آثار فرهنگی هر کشور ، هویت مردم آن کشور و سرزمین است و نشان دهنده تمدن باستانی و روح علم و هنر در پدران مردم کنونی آن جامعه و فرهنگ غنی آنهاست. هنر ، عصاره روح جمعی هر تمدن است که در واقع تنها به خود هنرمند تعلق ندارد. در هنر هر دوره ، میتوان افکار برگزیده و ارزشهای یک ملت را کشف کرد.
شیمی نقش بسیار مهمی در حفظ آثار فرهنگی و هنری باقیمانده از دوره های باستان دارد. برای حفظ این آثار ، باید قدمت آنها را بدانیم.
انواع روش های تعیین سن
1) تعیین سن به روش کربن 14
2) تعیین سن به روش پتاسیم– آرگن
3) تعیین سن به روش روبیدیم _ استرانسیوم
4) تعیین سن به روش اورانیم ، سرب و توریم ، سرب
5) تعیین سن با استفاده از ایزوتوپهای 230Th و 231Pa
6) تعیین سن به روش فلوئور
7) تعیین سن به روش آمینو اسیدها
تعیین سن به روش کربن 14
امکان استفاده از اتم برای اندازه گیری دورانهای زمین شناسی ابتدا به وسیله گروه پیشتازان علوم هسته ای، ماری و پیرکوری تشخیص داده شد. کار از جایی شروع شد که آنها پی بردند که برخی از اتمها رادیواکتیو هستند و خود به خود از طریق خاصیت کاهش تدریجی رادیواکتیو با یک میزان ثابت و منظم تبدیل به اتم عنصر دیگر میشوند.
آنها چنین استدلال کردند که اگر مقدار مشخص از عنصری تبدیل به عنصر دیگر شود و عوامل خارجی مثل گرما، رطوبت و ...در آن تأثیر نداشته باشد، این امکان وجود دارد که مدت زمان تحمل جسم را بتوان محاسبه نمود. این کشف اساس استفاده از ساعتهای اتمی است. در واقع نیمه عمر عناصر رادیواکتیو اساس "ساعت اتمی" را تشکیل می دهد.
اگر مقدار معینی از عنصر رادیواکیتو یک نیمه عمر خود را طی کرده باشد فقط نصف تعداد هسته های خود را خواهد داشت و نصف دیگر آن به هسته های عنصر دیگر واپاشی کرده است. جدول زیر نشان می دهد که پس از گذشت زمان چه مقدار از عناصر ماده اولیه باقی مانده است. ( اگر نیمه عمر ماده را T بگیریم)
مقدار ماده باقی مانده از عنصر اولیه
زمان طی شده
1/2
1/4
1/8
1/16
1/32
1/64
1/128
T
2T
3T
4T
5T
6T
7T
با مشخص کردن اینکه چه مقدار از هسته ای رادیواکتیو باقی مانده است متوجه میشویم که چند نیمه عمر ماده سپری شده و چون نیمه عمر عناصر را میدانیم به راحتی میتوانیم سن نمونه را محاسبه نماییم. به کمک زمان سنجی 14C طول عمر اجسام را تا 60000 سال می توان تعیین کرد. نیمه عمر 14C در حدود 5760 سال است و در رسوباتی که بیش از 40000 سال عمر داشته باشند تمامی 14C به 14N تبدیل گشته و لذا 14C کلا از بین رفته و ناپدید شده است. لذا این متد اغلب در باستان شناسی و تعیین سن رسوبات عهد حاضر بکار می‌رود. زمانی که نوترونهای پرتوهای کیهانی در اتمسفر با نیتروژن های 14 برخورد میکنند. به طور مداوم 14C تولید میشود. . 14C با اکسیژن هوا ترکیب و به گاز کربنیک تبدیل و جذب گیاه شده و در ترکیبات بدن موجود زنده ذخیره می‌گردد. به این ترتیب 14C در تمام موجودات زنده راه پیدا می کند. پس قسمتی از همه کربن های موجود در بدن موجودات زنده 14Cاست که نسبت تمرکز آن هم مقدار ثابتی است. چون کربن ذخیره شده در بدن موجودات زنده خاصیت رادیواکتیو داشته و ناپایدار است، پس از مرگ موجود زنده به تدریج تجزیه می‌گردد. 14C با مرور زمان واپاشی کرده و تبدیل به عناصر دیگر میشود. زمانی که یک موجود زنده می میرد و یا گیاهی خشک میشود، دیگر 14C جدیدی به طبیعت اضافه نمیشود اما 14C های قدیمی شروع به واپاشی میکنند.
برای اندازه گیری بقایای 14Cموجود در یک تکه چوب میتوان آن را تجزیه نمود و عمرش را با دقت خوبی تعیین کرد. این امر، زمان شکسته شدن یا بریده شدن تکه چوب از درخت را مشخص میکند. برای جدا کردن 14C از دیگر عناصر، چوب را می سوزانند تا به صورت گاز متان یا اتان دربیاید گاز حاصل را که دارای 14C است به مدت یک ماه درون یک محفظه نگه می دارند در این مدت ترکیبات اورانیوم که ممکن است باعث اندازه گیری غیر واقعی عمر شوند واپاشیده شده و مقدارشان به حداقل می رسد. سپس بوسیله دستگاهی میزان تشعشع اتم های 14C موجود در نمونه را بررسی میکنند. و به این ترتیب عمر نمونه را مشخص میکنند. با وجود همه امتیازاتی که زمان سنجی 14C داراست محدودیت هایی نیز دارد. همانطور که گفته شد 14C نیمه عمر نسبتاً کوتاهی دارد و فقط جهت تعیین طول عمرهایی تا 60 هزار سال قبل مفید است. برای عمرسنجی موارد قدیمیتر باید از دیگر عناصر رادیواکتیو که نیمه عمر بیشتری دارند استفاده کرد. که البته اساس کار این زمان سنجی ها هم کاملاً مشابه 14C است.
از چهار دهه پیش تاکنون ، روش سالیابی کربن 14 تنها روشی است که با آن ، سن نمونه‌های کربن‌دار ، تخمین زده میشود.
هدف این آزمایشگاهها ، سالیابی تعیین میزان کربن 14 نمونه موردنظر است که در نهایت ، این مقدار کربن به یک سن از آن اثر تاریخی ، ترجمه میشود.
کربن 14
کربن 14 ، رادیوایزوتوپ (ایزوتوپ سنگین) عنصر (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B9%D9%86%D8%B5%D8%B1) پایدار کربن است که با تشعشع بتای منفی ) ( ، تبدیل به نیتروژن 14 (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%86%DB%8C%D8%AA%D8%B1%D9%88%DA%9 8%D9%86) میشود. انرژی بتای منفی حاصل ، 0.156 میلیون الکترون ولت به ازای هر مول است:
146C+β-→147N+e
چگونگی تولید کربن 14
در ارتفاع 6 تا 15 کیلومتری جو زمین ، بر اثر برخورد اشعه کیهانی به اتمسفر زمین ، نوترونهایی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%86%D9%88%D8%AA%D8%B1%D9%88%D9%8 6) با انرژی زیاد تولید میشود. وقتی انرژی نوترونها بین 0،4 تا 1،6 میلیون الکترون ولت باشد، با برخورد به اتمهای نیتروژن ، کربن 14 ایجاد میکنند:
147C+N→ 146C+N
منابع ورود کربن 14 به جو زمین
اتمهای کربن 14، پس از تشکیل به سرعت با اکسیژن (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A7%DA%A9%D8%B3%DB%8C%DA%98%D9%8 6) ، ترکیب و به صورت 14CO2 ، در فضا منتشر میشود و از طریق سه منبع وارد ذخیره جهانی کربن در کره زمین میشوند. این سه منبع ، عبارتند از :
واکنش با آب‌های سطحی اقیانوسها و انتقال به آب‌های عمیق‌تر و انتقال به چرخه حیات آبزیان ، فتوسنتز (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%81%D8%AA%D9%88%D8%B3%D9%86%D8%A A%D8%B2) و ورود به ساختار گیاهان و نهایتا" تغذیه حیوانات علفخوار و گوشتخوار و انتقال به بدن حیوانات و انسانها. تخمین زده میشود که تولید کربن 14 در اتمسفر در وضعیت موازنه با تجزیه پرتوزای آن قرار دارد. در نتیجه ، کل ذخیره کربن 14 کره زمین مقدار ثابتی است.
این پیش‌بینی را نخستین بار ، شخصی به نام "لیبی" (1949) به اثبات رساند. او با اندازه گیری نمونه های متان موجود در فاضلاب (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%81%D8%A7%D8%B6%D9%84%D8%A7%D8%A 8+%D8%B5%D9%86%D8%B9%D8%AA%DB%8C) شهر بالتیمور و سپس چوب زنده ، صدفهای دریایی که به تازگی تشکیل شده اند و برخی از ارگانیسمهای دیگر به مقدار ثابتی از کربن 14 دست یافت.
چگونگی تعیین عمر یک ارگانیسم مرده
وقتی یک ارگانیسم زنده می‌میرد، اتمهای بخشهای آلی آن از چرخه طبیعی مواد (تغذیه و دفع مواد) خارج میشوند. در نتیجه ذخیره کربن 14 ارگانیسم مرده در وضعیتی منفک از ذخیره کل رادیوایزوتوپ جهانی قرار می‌گیرد و طی فرایند تلاشی با نیمه عمر 30 ± 5730 سال مقدارش کم و کمتر میشود. این کسر مقدار در آثار تاریخی در مقایسه با مقدار ثابت امروزی ، نشان می‌دهد که چه مدت از مرگ ارگانیسم موردنظر گذشته است.
مثلا در هنگام مقایسه یک نمونه قدیمی و یک نمونه جدید ، با توجه به نیمه عمر کربن 14 که 5730 سال است، میزان کربن 14 نمونه قدیمی با نمونه جدید مقایسه و سن نمونه محاسبه میشود. مثلا در یک نمونه سیستم سالیابی ، محدوده زمانی 400 الی 50000 را سالیابی میکنند.
سیستم سالیابی کربن 14
سیستم سالیابی کربن 14 (موجود در پژوهشکده حفاظت و مرمت آثار فرهنگی ایران) بر پایه سالیابی با بنزن (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A8%D9%86%D8%B2%D9%86) است. به این صورت که کربن ماده آلی موردنظر به بنزن (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A8%D9%86%D8%B2%D9%86) تبدیل میشود. برای این کار ، نخست ماده آلی در کوره ای مجهز به تعدادی تله شیشه‌ای که برای جمع آوری CO2 تعبیه شده، می‌سوزد.
تله‌های شیشه‌ای آغشته به سود ، CO2 حاصل را جذب میکنند و به همراه NH4Cl و BaCl2 سیر شده ترکیب میشود، رسوب باریم کربنات حاصل ، وارد سیستم سنتز بنزن میشود و سرانجام مقدار کربن 14 بنزن از طریق اندازه‌گیری پرتوهای بتای منفی بوسیله شمارشگر سوسوزن مایع ، محاسبه و با نمونه استاندارد مقایسه میشود.
منبع:
http://geoaria.blogfa.com/post-2.aspx
گردآوري: حامد حرافي
آثار فرهنگی هر کشور ، هویت مردم آن کشور و سرزمین است و نشان دهنده تمدن باستانی و روح علم و هنر در پدران مردم کنونی آن جامعه و فرهنگ غنی آنهاست. هنر ، عصاره روح جمعی هر تمدن است که در واقع تنها به خود هنرمند تعلق ندارد. در هنر هر دوره ، میتوان افکار برگزیده و ارزشهای یک ملت را کشف کرد.
شیمی نقش بسیار مهمی در حفظ آثار فرهنگی و هنری باقیمانده از دوره های باستان دارد. برای حفظ این آثار ، باید قدمت آنها را بدانیم.
انواع روش های تعیین سن
1) تعیین سن به روش کربن 14
2) تعیین سن به روش پتاسیم– آرگن
3) تعیین سن به روش روبیدیم _ استرانسیوم
4) تعیین سن به روش اورانیم ، سرب و توریم ، سرب
5) تعیین سن با استفاده از ایزوتوپهای 230Th و 231Pa
6) تعیین سن به روش فلوئور
7) تعیین سن به روش آمینو اسیدها
تعیین سن به روش کربن 14
امکان استفاده از اتم برای اندازه گیری دورانهای زمین شناسی ابتدا به وسیله گروه پیشتازان علوم هسته ای، ماری و پیرکوری تشخیص داده شد. کار از جایی شروع شد که آنها پی بردند که برخی از اتمها رادیواکتیو هستند و خود به خود از طریق خاصیت کاهش تدریجی رادیواکتیو با یک میزان ثابت و منظم تبدیل به اتم عنصر دیگر میشوند.
آنها چنین استدلال کردند که اگر مقدار مشخص از عنصری تبدیل به عنصر دیگر شود و عوامل خارجی مثل گرما، رطوبت و ...در آن تأثیر نداشته باشد، این امکان وجود دارد که مدت زمان تحمل جسم را بتوان محاسبه نمود. این کشف اساس استفاده از ساعتهای اتمی است. در واقع نیمه عمر عناصر رادیواکتیو اساس "ساعت اتمی" را تشکیل می دهد.
اگر مقدار معینی از عنصر رادیواکیتو یک نیمه عمر خود را طی کرده باشد فقط نصف تعداد هسته های خود را خواهد داشت و نصف دیگر آن به هسته های عنصر دیگر واپاشی کرده است. جدول زیر نشان می دهد که پس از گذشت زمان چه مقدار از عناصر ماده اولیه باقی مانده است. ( اگر نیمه عمر ماده را T بگیریم)
مقدار ماده باقی مانده از عنصر اولیه
زمان طی شده
1/2
1/4
1/8
1/16
1/32
1/64
1/128
T
2T
3T
4T
5T
6T
7T
با مشخص کردن اینکه چه مقدار از هسته ای رادیواکتیو باقی مانده است متوجه میشویم که چند نیمه عمر ماده سپری شده و چون نیمه عمر عناصر را میدانیم به راحتی میتوانیم سن نمونه را محاسبه نماییم. به کمک زمان سنجی 14C طول عمر اجسام را تا 60000 سال می توان تعیین کرد. نیمه عمر 14C در حدود 5760 سال است و در رسوباتی که بیش از 40000 سال عمر داشته باشند تمامی 14C به 14N تبدیل گشته و لذا 14C کلا از بین رفته و ناپدید شده است. لذا این متد اغلب در باستان شناسی و تعیین سن رسوبات عهد حاضر بکار می‌رود. زمانی که نوترونهای پرتوهای کیهانی در اتمسفر با نیتروژن های 14 برخورد میکنند. به طور مداوم 14C تولید میشود. . 14C با اکسیژن هوا ترکیب و به گاز کربنیک تبدیل و جذب گیاه شده و در ترکیبات بدن موجود زنده ذخیره می‌گردد. به این ترتیب 14C در تمام موجودات زنده راه پیدا می کند. پس قسمتی از همه کربن های موجود در بدن موجودات زنده 14Cاست که نسبت تمرکز آن هم مقدار ثابتی است. چون کربن ذخیره شده در بدن موجودات زنده خاصیت رادیواکتیو داشته و ناپایدار است، پس از مرگ موجود زنده به تدریج تجزیه می‌گردد. 14C با مرور زمان واپاشی کرده و تبدیل به عناصر دیگر میشود. زمانی که یک موجود زنده می میرد و یا گیاهی خشک میشود، دیگر 14C جدیدی به طبیعت اضافه نمیشود اما 14C های قدیمی شروع به واپاشی میکنند.
برای اندازه گیری بقایای 14Cموجود در یک تکه چوب میتوان آن را تجزیه نمود و عمرش را با دقت خوبی تعیین کرد. این امر، زمان شکسته شدن یا بریده شدن تکه چوب از درخت را مشخص میکند. برای جدا کردن 14C از دیگر عناصر، چوب را می سوزانند تا به صورت گاز متان یا اتان دربیاید گاز حاصل را که دارای 14C است به مدت یک ماه درون یک محفظه نگه می دارند در این مدت ترکیبات اورانیوم که ممکن است باعث اندازه گیری غیر واقعی عمر شوند واپاشیده شده و مقدارشان به حداقل می رسد. سپس بوسیله دستگاهی میزان تشعشع اتم های 14C موجود در نمونه را بررسی میکنند. و به این ترتیب عمر نمونه را مشخص میکنند. با وجود همه امتیازاتی که زمان سنجی 14C داراست محدودیت هایی نیز دارد. همانطور که گفته شد 14C نیمه عمر نسبتاً کوتاهی دارد و فقط جهت تعیین طول عمرهایی تا 60 هزار سال قبل مفید است. برای عمرسنجی موارد قدیمیتر باید از دیگر عناصر رادیواکتیو که نیمه عمر بیشتری دارند استفاده کرد. که البته اساس کار این زمان سنجی ها هم کاملاً مشابه 14C است.
از چهار دهه پیش تاکنون ، روش سالیابی کربن 14 تنها روشی است که با آن ، سن نمونه‌های کربن‌دار ، تخمین زده میشود.
هدف این آزمایشگاهها ، سالیابی تعیین میزان کربن 14 نمونه موردنظر است که در نهایت ، این مقدار کربن به یک سن از آن اثر تاریخی ، ترجمه میشود.
کربن 14
کربن 14 ، رادیوایزوتوپ (ایزوتوپ سنگین) عنصر (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B9%D9%86%D8%B5%D8%B1) پایدار کربن است که با تشعشع بتای منفی ) ( ، تبدیل به نیتروژن 14 (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%86%DB%8C%D8%AA%D8%B1%D9%88%DA%9 8%D9%86) میشود. انرژی بتای منفی حاصل ، 0.156 میلیون الکترون ولت به ازای هر مول است:
146C+β-→147N+e
چگونگی تولید کربن 14
در ارتفاع 6 تا 15 کیلومتری جو زمین ، بر اثر برخورد اشعه کیهانی به اتمسفر زمین ، نوترونهایی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%86%D9%88%D8%AA%D8%B1%D9%88%D9%8 6) با انرژی زیاد تولید میشود. وقتی انرژی نوترونها بین 0،4 تا 1،6 میلیون الکترون ولت باشد، با برخورد به اتمهای نیتروژن ، کربن 14 ایجاد میکنند:
147C+N→ 146C+N
منابع ورود کربن 14 به جو زمین
اتمهای کربن 14، پس از تشکیل به سرعت با اکسیژن (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A7%DA%A9%D8%B3%DB%8C%DA%98%D9%8 6) ، ترکیب و به صورت 14CO2 ، در فضا منتشر میشود و از طریق سه منبع وارد ذخیره جهانی کربن در کره زمین میشوند. این سه منبع ، عبارتند از :
واکنش با آب‌های سطحی اقیانوسها و انتقال به آب‌های عمیق‌تر و انتقال به چرخه حیات آبزیان ، فتوسنتز (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%81%D8%AA%D9%88%D8%B3%D9%86%D8%A A%D8%B2) و ورود به ساختار گیاهان و نهایتا" تغذیه حیوانات علفخوار و گوشتخوار و انتقال به بدن حیوانات و انسانها. تخمین زده میشود که تولید کربن 14 در اتمسفر در وضعیت موازنه با تجزیه پرتوزای آن قرار دارد. در نتیجه ، کل ذخیره کربن 14 کره زمین مقدار ثابتی است.
این پیش‌بینی را نخستین بار ، شخصی به نام "لیبی" (1949) به اثبات رساند. او با اندازه گیری نمونه های متان موجود در فاضلاب (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%81%D8%A7%D8%B6%D9%84%D8%A7%D8%A 8+%D8%B5%D9%86%D8%B9%D8%AA%DB%8C) شهر بالتیمور و سپس چوب زنده ، صدفهای دریایی که به تازگی تشکیل شده اند و برخی از ارگانیسمهای دیگر به مقدار ثابتی از کربن 14 دست یافت.
چگونگی تعیین عمر یک ارگانیسم مرده
وقتی یک ارگانیسم زنده می‌میرد، اتمهای بخشهای آلی آن از چرخه طبیعی مواد (تغذیه و دفع مواد) خارج میشوند. در نتیجه ذخیره کربن 14 ارگانیسم مرده در وضعیتی منفک از ذخیره کل رادیوایزوتوپ جهانی قرار می‌گیرد و طی فرایند تلاشی با نیمه عمر 30 ± 5730 سال مقدارش کم و کمتر میشود. این کسر مقدار در آثار تاریخی در مقایسه با مقدار ثابت امروزی ، نشان می‌دهد که چه مدت از مرگ ارگانیسم موردنظر گذشته است.
مثلا در هنگام مقایسه یک نمونه قدیمی و یک نمونه جدید ، با توجه به نیمه عمر کربن 14 که 5730 سال است، میزان کربن 14 نمونه قدیمی با نمونه جدید مقایسه و سن نمونه محاسبه میشود. مثلا در یک نمونه سیستم سالیابی ، محدوده زمانی 400 الی 50000 را سالیابی میکنند.
سیستم سالیابی کربن 14
سیستم سالیابی کربن 14 (موجود در پژوهشکده حفاظت و مرمت آثار فرهنگی ایران) بر پایه سالیابی با بنزن (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A8%D9%86%D8%B2%D9%86) است. به این صورت که کربن ماده آلی موردنظر به بنزن (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A8%D9%86%D8%B2%D9%86) تبدیل میشود. برای این کار ، نخست ماده آلی در کوره ای مجهز به تعدادی تله شیشه‌ای که برای جمع آوری CO2 تعبیه شده، می‌سوزد.
تله‌های شیشه‌ای آغشته به سود ، CO2 حاصل را جذب میکنند و به همراه NH4Cl و BaCl2 سیر شده ترکیب میشود، رسوب باریم کربنات حاصل ، وارد سیستم سنتز بنزن میشود و سرانجام مقدار کربن 14 بنزن از طریق اندازه‌گیری پرتوهای بتای منفی بوسیله شمارشگر سوسوزن مایع ، محاسبه و با نمونه استاندارد مقایسه میشود.
منبع:
http://geoaria.blogfa.com/post-2.aspx