คาร์บอน -14 ไขปริศนาโครงกระดูกพันปี

                                         คาร์บอน - 14 ไขปริศนาอายุโครงกระดูกพันปี     

    ภาพกระดูกโบราณที่ค้นพบที่  จ. สุพรรณบุรี  (ที่มา  https://www.thairath.co.th/content/region/87368 )

          มีการพบโครงกระดูกมนุษย์ยุคทวารวดีอายุ 1,200 -1,300 ปี บริเวณคูเมืองโบราณ จังหวัดสุพรรณบุรี 
ลักษณะคล้ายผู้ใหญ่และเด็กวางห่างกันประมาณ 7– 8 เมตร  โครงกระดูกทั้งหมด มีลักษณะสมบูรณ์ตั้งแต่กะโหลกศีรษะ กระดูกซี่โครง และสะโพก นอกจากนั้น ยังพบเศษภาชนะประเภทหม้อดินเผาปะปนอยู่
จำนวนหนึ่ง

 (ที่มา ไทยรัฐออนไลน์  https://www.thairath.co.th/content/region/87368 )

         เมื่อมีการค้นพบวัตถุโบราณ เทคโนโลยีคาร์บอน -14 (C -14) เป็นวิทยาการที่จะสามารถไขปริศนา
อายุของวัตถุโบราณบางประเภทได้  โดยอาศัยหลักการที่ว่า สิ่งมีชีวิตทุกชนิตจะต้องประกอบด้วยธาตุคาร์บอน
เป็นองค์ประกอบดังนั้นเมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง อัตราส่วนระหว่างคาร์บอนจะลดลงเรื่อย ๆ ข้อมูลอัตราส่วนดังกล่าว
จะช่วยให้เราสามารถคำนวณหาอายุของสิ่งมีชีวิตชนิดนั้นได้

เนื้อหาเกี่ยวข้องกับ กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์    ทุกระดับชั้น  และผู้สนใจทั่วไป
สาระที่   3   สารและสมบัติของสาร
มาตรฐาน ว  3.2  เข้าใจหลักการและธรรมชาติของการเปลี่ยนแปลงสถานะของสาร   การเกิดสารละลาย   
                            การเกิดปฏิกิริยา มีกระบวนการสืบเสาะ หาความรู้และจิตวิทยาศาสตร์ สื่อสารสิ่งที่
                            เรียนรู้และนำความรู้ไปใช้ประโยชน์
                                           
เรื่อง   คาร์บอน            
          คาร์บอน ( Carbon) เป็นธาตุในตารางธาตุที่มีสัญลักษณ์ C และเลขอะตอม 6  เป็นธาตุอโลหะ
ที่มีอยู่มากในธรรมชาติ  มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน เท่ากับ  4 และมีหลายอัญรูป  คือ
          1. เพชร (แร่ธาตุที่แข็งที่สุด)   โครงสร้างยึดเหนี่ยว  4 อิเล็กตรอนใน sp3-orbital แบบ 3 มิติ 
          2. แกรไฟต์ (หนึ่งในสารที่อ่อนที่สุด) โครงสร้างยึดเหนี่ยว 3 อิเล็กตรอนใน sp2-orbital 2 มิติ 
และ 1 อิเล็กตรอนใน p-orbital 
          3. ฟูลเลอไรต์ (หรือ ฟูลเลอรีน) คือโมเลกุลขนาดนาโนเมตร ในรูปแบบที่เรียบง่าย คาร์บอน 60
อะตอมจะเรียงตัวคล้ายกับชั้นแกรไฟต์ ซึ่งงอตัวจนเป็นโครงสร้างสามมิติที่คล้ายกับลูกฟุตบอล
          คาร์บอนมี  3 ไอโซโทป (ธาตุชนิดเดียวกัน มีเลขอะตอมเท่ากัน และเลขมวลต่างกัน ) คือ 
คาร์บอน - 12  คาร์บอน - 13 และ คาร์บอน - 14  ในธรรมชาติจะพบ คาร์บอน - 12  จำนวนมากถึง 
98.9 %  คาร์บอน - 13 จำนวน 1.1 % และพบ คาร์บอน - 14  จำนวนน้อยมาก โดยในต้นไม้ที่ยังมี
ชีวิตอยู่ เราจะพบว่าจำนวนอะตอมของ C -14 : จำนวนอะตอมของ C -12 จะเท่ากับ 1:1 ล้านล้าน
           คาร์บอน - 12  และ คาร์บอน - 13 เป็นไอโซโทปที่เสถียร  ส่วนคาร์บอน-14 เป็นไอโซโทป
กัมมันตรังสี

ภาพไอโซโทปของคาร์บอน  (ที่มา https://www.tint.or.th/nkc/nkc5003/nkc5003z.html )

         คาร์บอน - 14 
           คาร์บอน-14 เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ระหว่างอนุภาคนิวตรอนที่ได้จากรังสีคอสมิก กับ
อะตอมของธาตุไนโตรเจน ในชั้นบรรยากาศ ดังสมการ              
          

                                                    
  
เนื่องจากคาร์บอน-14 เป็นธาตุกัมมันตรังสี เมื่อเกิดขึ้นแล้วจะสลายกัมมันตรังสีให้อนุภาคบีตา และเปลี่ยน
ตัวเองเป็นอะตอมของไนโตรเจน-14  ดังสมการ 

                                                        
   
          เกิดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ 
          หลังจากนั้นคาร์บอน-14 ก็จะรวมตัวกับออกซิเจนในบรรยากาศกลายเป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์
แล้วแพร่กระจายลงมายังบรรยากาศชั้นล่าง และเข้าสู่สิ่งมีชีวิตโดยกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง และ
การกินพืชเป็นอาหาร นอกจากนั้นยังแพร่กระจายลงสู่ทะเลและมหาสมุทร และอยู่ในรูปของสารประกอบ
ไบคาร์บอเนต และคาร์บอเนต

                                           
                      ภาพ รูปของสารประกอบ ไบคาร์บอเนต และคาร์บอเนต  (ที่มา https://www.tint.or.th/nkc/nkc5003/nkc5003z.html )

          การสลายตัวของ คาร์บอน-14 
          การเกิดและการสลายกัมมันตรังสีของคาร์บอน-14 นั้น เป็นไปอย่างต่อเนื่อง เมื่อระยะเวลาผ่าน
ไปเนิ่นนานทำให้อัตราการเกิดคาร์บอน-14 เท่ากับอัตราการสลายกัมมันตรังสีของมัน นั่นก็หมายความว่า
  ปริมาณคาร์บอน-14 ต่อกรัมของคาร์บอน มีค่าคงที่ตลอดเวลา ทั้งในบรรยากาศ น้ำ หรือสิ่งมีชีวิตทั้งหลาย 
          การใช้ คาร์บอน-14 หาอายุของวัตถุโบราณ
          เมื่อสิ่งมีชีวิตทั้งหลายตายไป การแลกเปลี่ยนคาร์บอน-14 ระหว่างสิ่งมีชีวิตกับชั้นบรรยากาศสิ้นสุด
ทำให้ปริมาณคาร์บอน-14 ที่มีอยู่เดิมลดจำนวนลงไปเรื่อย ๆ อันเป็นผลสืบเนื่องมาจากการสลายกัมมันตรังสี
ของธาตุกัมมันตรังสี จากกฎการสลายกัมมันตรังสีของธาตุกัมมันตรังสี สามารถคำนวณหาเวลาตั้งแต่สิ่งมีชีวิต
นั้นตายไปจนกระทั่งถึงปัจจุบัน (ปี) โดยทั่วไปการหาอายุโดยวิธีนี้ สามารถหาอายุได้ในช่วง 200 ถึง 
50,000 ปี ซึ่งตัวอย่างที่สามารถนำมาหาอายุโดยวิธีนี้ต้องมีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ ได้แก่ ไม้ ถ่าน 
เปลือกหอย กระดูก และพีต เป็นต้น จะเห็นว่าตัวอย่างที่กล่าวมานั้นมาจากสิ่งมีชีวิตทั้งสิ้น สำหรับตัวอย่าง 
หิน แก้ว เครื่องปั้นดินเผา ไม่สามารถนำมาหาอายุโดยวิธีนี้ได้           
          เทคโนโลยีคาร์บอน-14 หาอายุของวัตถุโบราณ            
          ธาตุ C -14 มีครึ่งชีวิต (half life) เท่ากับ 5,730 ปี ซึ่งหมายความว่าภายในเวลา 5,730 ปี ครึ่งหนึ่ง
ของอะตอม C -14 ที่มีในวัตถุ จะสลายตัว และอีก 5,730 ปี ครึ่งหนึ่งของอะตอม C -14 ที่เหลือซึ่งก็คือ 
1 ใน 4 ของของเดิมจะสลายตัว เป็นเช่นนี้ไปทีละครึ่งของ ที่มีในทุก 5,730 ปี จนกระทั่งอะตอมของ C -14
สลายตัวหมด และเพราะเหตุว่าความร้อน ความเย็น หรือความดันใดๆ ไม่สามารถ ชะลอหรือเร่งเวลาใน
การสลายตัวของอะตอมเหล่านี้ได้เลย ดังนั้นการรู้อัตราการสลายตัวของ C -14 ที่มีในวัตถุ จะทำให้
นักวิทยาศาสตร์คำนาณหาอายุของวัตถุนั้นได้ทันที          
          เครื่องมือที่ใช้ในการวัดกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอน-14            
           มี 2 แบบ คือเครื่องนับรังสีแบบสัดส่วนในแก๊ส (Gas Proportional Counter)   
เครื่องนับรังสีแบบแสงวับในของเหลว (Liquid Scintillation Counter)
           1. เครื่องนับรังสีแบบสัดส่วนในแก๊ส จะต้องเปลี่ยนคาร์บอนในตัวอย่างให้อยู่ในรูปของแก๊ส 
เช่น แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ แก๊สมีเทน หรือแก๊สอะเซทิลีน
           2.เครื่องนับรังสีแบบแสงวับในของเหลวนั้น จะต้องเปลี่ยนคาร์บอนให้อยู่ในรูปของสารประกอบ
เบนซีน ซึ่งเกี่ยวข้องกับกระบวนการเคมีอยู่ 3 ขั้นตอน คือการเปลี่ยนคาร์บอนในตัวอย่างให้อยู่ใน
รูปแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ การเปลี่ยนแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เป็นแก๊สอะเซทิลีน และการเปลี่ยน
แก๊สอะเซทิลีนเป็นสารประกอบเบนซีน หรือทำการดูดซับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์โดยตรงด้วย
สารละลายที่เป็นด่าง  การหาอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14 จำเป็นต้องวัดกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอน-14
ในตัวอย่างเปรียบเทียบกับกัมมันตภาพรังสีของสารมาตรฐาน โดยทั่วไปสารมาตรฐานที่นิยมใช้อยู่ใน
ปัจจุบัน คือ กรดออกซาลิก และ ANU Sucrose

จากกฎการสลายของธาตุกัมมันตรังสี สามารถนำมาใช้ในการหาอายุของวัตถุโบราณ ดังแสดงในสมการ
 
                                                
 
           เมื่อ           คือ กัมมันตภาพรังสีที่เวลาเริ่มต้น  
                            คือ กัมมันตภาพรังสีที่เวลาใด ๆ 
                        t       คือ อายุ (ปี)  
  
          ปริมาณตัวอย่างที่ใช้สำหรับการกำหนดค่าอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14

                             ตัวอย่าง                          ปริมาณตัวอย่าง (กรัม)
                                ถ่าน                                           10-20
                                ไม้                                              20-30
                            เปลือกหอย                                       50-100
                              กระดูก                                          500 -1000
                            คาร์บอเนต                                       50-60
                     
           สมบัติทั่วไปของธาตุคาร์บอน
            
                          ชื่อ                                              คาร์บอน
                          สัญลักษณ์                                      C
                          หมายเลข                                       6 
                          อนุกรมเคมี                                    อโลหะ 
                          หมู่, คาบ, บล็อก                               4, 2, p 
                          ลักษณะ                              ดำ (แกรไฟต์)  ไม่มีสี (เพชร)                                             
                          มวลอะตอม                                      12.0107 (8) กรัม/โมล 
                          การจัดเรียงอิเล็กตรอน                       1s2 2s2 2p2 
                           อิเล็กตรอนต่อระดับพลังงาน               2, 4 
                           สถานะ                                              ของแข็ง 
                          โครงสร้างผลึก                                   หกเหลี่ยม 
                           สถานะออกซิเดชัน                            4, 2 (กรดอ่อนออกไซด์) 
                           อิเล็กโตรเนกาติวิตี                             2.55 (พอลิงสเกล) 
                           พลังงานไอออไนเซชัน  ระดับที่ 1       1086.5 กิโลจูล/โมล 
                                                           ระดับที่ 2        2352.6 กิโลจูล/โมล 
                                                           ระดับที่ 3        4620.5 กิโลจูล/โมล 
                           รัศมีอะตอม                                      70 pm 
                           รัศมีอะตอม (คำนวณ)                        67 pm 
                           รัศมีโควาเลนต์                                  77 pm 
                           รัศมีวานเดอร์วาลส์                            170 pm 
                           การจัดเรียงทางแม่เหล็ก                    ไดอะแมกเนติก 
                           เลขทะเบียน CAS                            7440-44-0 
  
               ตัวอย่างวัตถุโบราณ ตรวจหาอายุโดยใช้  คาร์บอน-14 
                    1.โครงกระดูกโบราณ                  
                    2. มัมมี่                                       
                    3.เปลือกหอย
                    
          ดังนั้น คาร์บอน-14  จึงมีประโยชน์อย่างมากในการหาอายุของวัตถุโบราณ 
                                       เช่น โครงกระดูกโบราณค่ะ                                                       
                          
คำถาม VIP ชวนคิด 
        1. คาร์บอนมีกี่ไอโซโทป
        2. คาร์บอน -14 ใช้หาอายุของวัตถุโบราณได้อย่างไร
        3. คาร์บอนไอโซโทปใดพบในธรรมชาติมากที่สุด
        4. รูปใดของคาร์บอนที่มีความแข็งมากที่สุด
        5. ควรใช้ปริมาณกระดูก กี่กรัมในการกำหนดค่าอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14
        
กิจกรรมเสนอแนะ

       1.ให้นักเรียนสืบค้นข้อมูลเรื่องคาร์บอน -14 จากแหล่งข้อมูลต่าง ๆ เช่น ห้องสมุด อินเตอร์เน็ต 
       2. ให้นักเรียนค้นคว้าและบอกประโยชน์อย่างอื่นของคาร์บอน -14 
       3. ให้นักเรียนนำเสนอข้อมูลแหล่งที่มีการค้นพบวัตถุโบราณในไทย

การบูรณาการ

        บูรณาการการเรียนรู้ได้ทั้ง  8 กลุ่มสาระ  ได้แก่ ภาษาไทย คณิตศาสตร์  วิทยาศาสตร์  สังคมศึกษา ฯ
สุขศึกษา ฯ  การงานอาชีพและเทคโนโลยี  ศิลปะ และภาษาต่างประเทศ
        กลุ่มสาระการเรียนรู้ภาษาไทย         นักเรียนเขียนเรียงความเกี่ยวกับวัตถุโบราณ 
        กลุ่มสาระการเรียนรู้คณิตศาสตร์      นักเรียนนับจำนวนแหล่งที่ค้นพบวัตถุโบราณในประเทศไทย
                                                          และทำสถิติว่าจังหวัดใดพบมากที่สุด
        กลุ่มสาระการเรียนรู้สังคมศึกษา ฯ    นักเรียนศึกษาสภาพภูมิประเทศและประวัติศาสตร์บริเวณที่ค้นพบ
                                                          วัตถุโบราณ
        กลุ่มสาระการเรียนรู้สุขศึกษา ฯ        นักเรียนศึกษาการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตชนิดนั้น
        กลุ่มสาระการเรียนรู้การงานอาชีพและเทคโนโลยี  นักเรียนลองประดิษฐ์หรือปั้นวัตถุเหมือนวัตถุโบราณ
                                                                            ที่พบ
        กลุ่มสาระการเรียนรู้ศิลปะ                 นักเรียนวาดภาพวัตถุโบราณ
        กลุ่มสาระการเรียนรู้ภาษาต่างประเทศ นักเรียนเขียนชื่อธาตุและสารประกอบของคาร์บอนเป็น
                                                            ภาษาอังกฤษ

                             ภาพดอกไม้โบราณ( ที่มา  https://www.bloggang.com/data/b/buw-butsabong/picture/1266997571.jpg )

ขอขอบคุณ                           
แหล่งข้อมูลอ้างอิงเนื้อหาและรูปภาพประกอบ
ดังนี้

      1. https://www.thairath.co.th/content/region/87368
      2. https://th.wikipedia.org/wiki/คาร์บอน
      3. https://www.ipst.ac.th/thaiversion/publications/in_sci/cabon14forage.html
      4. https://www.tint.or.th/nkc/nkc5003/nkc5003z.html
      5. https://www.bloggang.com/data/b/buw-butsabong/picture/1266997571.jpg
ที่มา : https://www.sahavicha.com/?name=knowledge&file=readknowledge&id=2663