Fosillerin Yaşı Nasıl Hesaplanır?

Videoda Türkce altyazı mevcuttur.Altyazı bölümünü Türkce ayarlayıp izleyebilirsiniz !!!
 

Radyoaktivitenin Keşfi

Kuşaklar boyunca başarılı bilimciler çıkaran Becquerel ailesinin, Paris’teki Doğal Tarih Müzesi’ndeki fizik kürsüsüne oturan üçüncü ferdi Antoine Henri Becquerel büyük bilimsel buluşlarını müzede çalışırken yaptı.

X-ışınlarının yakın zamandaki keşfi Becquerel’i heyecanlandırmıştı. Zira o bu ışınlar ile parlak ışığa tutulunca parlayan kimi maddeler arasında bir bağlantı olması gerektiğini düşünüyordu. 1896’da bir deney yaptı. Büyükbabasının siyah bir beze sarıp fotoğraf filmlerinin arasına koyduğu bazı uranyum tuzlarını ışığa bıraktı. Bir süre sonra filmlerde kristal şekiller gördü, ama aynı şey uranyumu ışığa maruz bırakmadığında da oluyordu. Garip ışınlara şaşıran Becquerel bu ışınların bileşiklerden yayılıyor olabileceğini fark etti. Öğrencilerinden birini bileşiklerin içeriğini öğrenmekle görevlendirdi. Bu öğrencisi de Marie Curie’den başkası değildi.

Kocası Pierre ile birlikte çalışan Marie bu tuhaf ışınların muammasını çözmeye koyuldu. Uranyumun çıktığı maden cevherinin bu ışınlar formunda büyük miktarda enerji yaydığını, ama garip bir şekilde hiç kütle kaybetmediğini keşfettiler. Ayrıca Curie’ler aynı enerjiyi toryum, radyum ve polonyumun da yaydığını buldular. (Radyum elementi Pierre ve Marie Curie tarafından bulundu, Marie Curie ayrıca vatanı Polonya’nın adını verdiği polonyum elementini de bulmuştur. Curie’nin kızlık soyadı Sklodowska idi.)

Becquerel ile Curie’ler bu yeni enerjiyi “radyoaktivite” diye adlandırdılar ve 1903’te çalışmalarından ötürü fizik alanında Nobel Ödülü’nü paylaştılar. Marie, Nobel Ödülü’nü alan ilk kadın oldu ve bu ödülü iki ayrı bilim dalında iki kez aldı. Şimdiye kadar hiç kimse iki ayrı dalda iki Nobel Ödülü almamıştır. Hem radyoaktivite birimine –küri– hem de küriyum elementine onun adı verildi. Ne yazık ki Marie radyoaktif maddelere maruz kaldığı uzun saatlerin bedelini ödeyecekti.

Marie Curie, 1934’te kemik iliğinin yeni kırmızı kan hücrelerini yeterince üretememesinden kaynaklanan aplastik anemiden hayatını kaybetti. Hastalığının nedeni aşırı radyasyondu. Curie’nin not defterleri o kadar radyasyona maruz kalmıştı ki, bugün bile defterler kurşun kaplı bölmelerde saklanıyorlar. Öte yandan Curie’nin hayatı boşa gitmedi, radyoaktivitenin bulunmasındaki rolü bütünüyle yeni bir bilim dalının gelişmesini sağladı.

 

Alfa ve Beta

İki kimyager Ernest Rutherford ile Frederick Soddy “alfa” ve “beta” adlarını verdikleri iki radyoaktif parçacık türünü 1899’da buldular. Alfa parçacıkları güçlü iyonlaştırıcı radyasyon üretir, ama bir kağıt parçasıyla durdurulabilir. Beta parçacıkları ise daha hafiftir ve zayıf iyonlaştırıcı radyasyon üretir, ama metalde milimetrelerce yol alabilir. Alfa ve beta parçacıklarının keşfi bir dönüm noktası olsa da, ikilinin asıl büyük katkısı muhtemelen radyoaktif maddelerin “yarılanma ömürleri”ni ortaya çıkarmalarıydı.

Radyoaktif elementlerdeki kararsız atomlar ayrışıp sonunda başka bir elementin kararlı atomlarına dönüşürler. Radyoaktif bir atomun “yarılanma ömrü” ayrışmanın gerçekleştiği sabit oranı tarif eder: Baştaki “ana” atomun yarısı kalırken, diğer yarının “yavru” elementin atomlarına dönüşmesi için gereken zamanı verir. Rutherford bir numunede ana atomun yavru atomlara oranının görece oranını ölçerek o numunenin ne kadar eski olduğunu söyleyebileceğimizi buldu. Yaş genellikle milyarlarca yılı bulduğundan, kararlı atomun konsantrasyonunu elementin baştaki konsantrasyonuyla karşılaştırarak kayaların ve Dünya’nın yaşını saptayabildi.

 

Radyokarbon Tarihleme Yöntemin Bulunuşu

Radyokarbon tarihleme yöntemini Chicago Üniversitesi’nde W. F. Libby (1908- 1980) yönetiminde çalışan bir grup bilim insanı 2. Dünyü Savaşı’nı izleyen yıllarda bulmuştur. Yöntemle ilgili ilk yayın Arnold ve Libby (1949) tarafından Science dergisinde “Age determinations by radiocarbon content: Checks with samples of known age” başlığıyla yapılmıştır. Libby ve arkadaşları, aynı zamanda yöntemlerini sınamak için, ilk ölçümlerini yaşları başka yöntemlerle de belirlenmiş olan Mısır medeniyeti buluntuları ile gerçekleştirmişlerdir. Elde ettikleri radyokarbon yöntemi sonuçlarının, deneysel belirsizlik sınırları içinde, diğer yöntemlerle bulunan sonuçlarla uyuştuğu görülmüştür. Kısa bir süre içinde başka laboratuvarlar kurulmuş ve 1950’li yılların başlarında 8 olan laboratuvar sayısı 1950’li yılların sonunda 20 ye çıkmıştır. Günümüzde yaklaşık 130 laboratuvarda radyokarbon yöntemiyle tarihlemeler yapılmaktadır.

Libby 14C izotopunun arkeoloji, jeoloji, jeofizik ve diğer dallarda tarihleme amaçlı kullanımı yöntemini bulduğu için 1960 yılı Nobel Kimya Ödülü’nü almıştır. Kendisini ödüle aday gösteren bir bilim insanının deyişiyle radyokarbon yöntemi hemen herkesin ilgisini çeken ve birçok bilim dalındaki düşünceleri etkileyen bir buluştur ve böyle buluşlar çok nadirdir.

Yöntemin Temelleri

Doğada yaygın olarak bulunan karbon elementinin radyoaktif izotopu 14C atmosferin üst tabakalarında uzaydan gelen kozmik ışınların atmosferdeki nitrojen gazıyla tepkimesi sonucunda oluşur. Oluşan 14C atomları atmosferdeki oksijen elementiyle tepkimeye girer, karbon dioksit gazı (CO2) haline gelir, atmosferdeki diğer gazlarla karışır ve hızla atmosferin her tarafına dağılır.

Atmosferdeki karbon dioksit gazının büyük bir kısmı karbonat çözeltisi halinde okyanus, deniz ve göllere geçer. Buralarda yaşayan canlıların vücutlarında yer alır. Zamanla okyanusların dibine iner ve çökelir. Karbondioksit gazının bir kısmı bitkilerde gerçekleşen fotosentez olayında yer alarak yeryüzündeki tüm canlıların vücutlarına geçer. Böylece her canlı yaşadığı süre içinde çevresinden sürekli 14C alarak belirli bir 14C yoğunluğuna ve radyoaktivitesine sahip olur. Zamanla bir denge ortaya çıkar ve atmosferdeki ve canlılardaki 14C yoğunluğu sabitlenir.

 

Canlılar öldükten sonra vücutlarına yeni 14C girişi durur ve öldükleri esnada vücutlarında bulunan 14C yoğunluğu ve radyoaktivitesi zamanla azalır. Arkeolojik kazıda ele geçen karbon içeren bir buluntunun günümüzde içerdiği 14C yoğunluğu ya da radyoaktivitesi ölçülerek kaç yıl önce öldüğü bulunur.

Her radyoaktif izotopun kendine özgü belirli bir yarılanma süresi vardır. 14C izotopunun yarılanma süresi 5730 yıldır. Arkeolojik kazı yerinde ele geçen ve karbon içeren buluntunun öldüğü andaki 14C radyoaktivitesi Ao olsun. Buluntu öldükten 5730 yıl (bir yarılanma süresi) sonra aktivite Ao/2; 11460 yıl (iki yarılanma süresi) sonra aktivite Ao/4; 17190 yıl (üç yarılanma süresi) sonra aktivite Ao/8 olur. Başka bir deyişle, bir buluntudaki ilk aktivite her 5730 yıllık zaman aralığında aralığın başladığı andaki değerinin yarısına düşerek azalır. Örneğin, günümüzden 28650 yıl (beş yarılanma süresi) önce ölen bir buluntunun günümüzde sahip olduğu aktivite Ao/32, başka bir deyişle yaklaşık 0.03Ao bulunur.

Kalıntının öldüğü andan günümüze geçen süreye yaş diyelim ve T ile gösterelim. Kalıntının yaşını veren bağıntı  T= 8267 ln(Ao/A) olur. Burada ln doğal logaritmayı gösterir. Bağıntıdaki 8267 sayısı 14C izotopunun yarılanma süresine bağlıdır ve bu sayıya 14C izotopunun ortalama ömrü denir. Bağıntıda Ao buluntunun öldüğü zaman sahip olduğu 14C yoğunluğunu ya da aktivitesini ve A buluntuda günümüzde (halen) var olan 14C yoğunluğunu ya da aktivitesini gösterir. Görüldüğü gibi bir buluntunun yaşı Ao/A orantısının doğal logaritması ile doğru orantılıdır. Bu orantı ne kadar büyükse buluntunun yaşı da o kadar büyüktür.

 

Üstteki açıklamadan ve yaş bağıntısından anlaşılacağı üzere, bir buluntudaki 14C radyoaktivitesinin ölçümüne bağlı tarihleme yapmak için buluntuda günümüzde (halen) var olan 14C aktivitesinin ve buluntunun öldüğü zaman sahip olduğu 14C aktivitesinin ölçülmesi gerekir. Gerekli donanıma sahip bir laboratuvarda kazı yerinde ele geçen bir buluntudaki 14C aktivitesi ölçülebilir ve bağıntıdaki A değeri elde edilir. Kalıntının öldüğü zaman sahip olduğu 14C aktivitesinin (Ao) doğrudan ölçülmesi ise olanaksızdır. Ancak altta açıklandığı gibi, bu aktivite dolaylı olarak ölçülebilir.

Uzaydan atmosferin üst tabakalarına gelen kozmik ışınların her yönden eşit miktarda geldiği gözlenir. Bu nedenle 14C izotopunun oluşma hızı ile canlılardaki yoğunluğunun eski zamanlardan günümüze aynı olması beklenir ve böyle olduğu varsayılır. Bu varsayıma göre bir buluntunun öldüğü zaman sahip olduğu 14C aktivitesi Ao günümüzdeki canlılardaki 14C aktivitesine eşittir. Ao aktivitesine sahip maddelere modern denir. Her laboratuvarın Ao aktivitesini bulmak için çevreden alacağı bir canlıdaki 14C aktivitesini ölçmesi gerekir.

Her laboratuvar Ao aktivitesini kendi seçtiği bir canlı için ölçerse farklı laboratuvarların bulduğu radyokarbon tarihleri karşılaştırılamaz. Bunu önlemenin yolu ise laboratuvarların hepsinin aynı maddeyi kulanarak kendi Ao değerini bulmasıdır. Tüm laboratuvarlar aynı maddeyi kullansın diye ABD’deki Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) özel olarak 1955 yılı ürünü şeker pancarı kullanarak standart oksalik asit I (C2H2O4) adı verilen bir madde hazırlamış ve bu madde tüm radyokarbon laboratuvarlarına dağıtılmıştır. Her laboratuvar kendi koşullarında standart oksalik asit I maddesindeki 14C aktivitesini ölçerek o laboratuvar için yaş bağıntısında kullanılacak Ao değerini belirlemiştir. Laboratuvar sayısındaki artış nedeniyle bir süre sonra standart oksalik asit I maddesi tükenince aynı Enstitü 1997 yılı Fransız ürünü pancar şırası kullanarak standart oksalik asit II maddesini hazırlayarak laboratuvarlara dağıtmıştır. Tüm laboratuvarlar radyokarbon yaşlarını ya doğrudan satandart oksalik aside ya da buna dayandırılan kendi ikincil standart maddelerine göre vermekle yükümlüdür.

 

Libby 14C izotopunun yarılanma ömrünü 5568 yıl ölçmüş ve yayınladığı tarihleri bu değere göre hesaplamıştır. Sayaçların gelişmesiyle yapılan daha duyarlı ölçümler sonucunda yarılanma ömrünün aslında 5730 yıl olduğu bulunmuştur. Fakat yaş hesabında, Libby gibi yapılarak, halen 5568 yıl kullanılır, bu değere göre hesaplanan yaşa konvansiyonel radyokarbon yaşı denir ve tüm laboratuvarlar bu yaşları yayınlar. Bunun nedeni yayınlanan radyokarbon yaşlarının tümünün aynı yöntemle hesaplanmasını sağlamaktır. Ancak böyle yapılırsa yayınlanan yaşlar karşılaştırılabilir ve kendi içinde tutarlı bir kronoloji oluşturur. Yarılanma ömrü değerlerinin oranı 5730/5568 = 1.03 bulunur. Bu nedenle bir konvansiyonel radyokarbon yaşı 1.03 sayısıyla çarpılırsa, 5730 yıl değerine göre radyokarbon yaşı bulunur.

Konvansiyonel radyokarbon yaşının hesabı için varsayımlar ve izlenecek kurallar şöyledir:

• Eski zamanlardan günümüze atmosferdeki ve canlılardaki 14C yoğunluğu sabit kalmıştır.

• 14C izotopunun yarılanma süresi 5568 yıl, ortalama ömrü 8033 yıldır.

• Modern (madde) olarak standart oksalik asit I, standart oksalik asit II ya da bunlarla bağlantılı ikincil bir standart kullanılmalıdır.

• Tarihlenecek buluntuda 13C/12C orantısı ölçülerek izotop ayrışması için düzeltme yapılmalıdır. (İzotop ayrışması daha sonra açıklanmaktadır.)

• 1950 yılı günümüz olarak alınmalı ve radyokarbon yaşı, yıl olarak, günümüzden önce (GÖ) olarak verilmelidir.