Karbon-14 Metodu Nedir? Radyokarbon Tarihleme Nasıl Yapılır?

Radyokarbon tarihleme veya daha çok bilinen adıyla karbon-14 yöntemi, arkeolojik çalışmalarda en çok kullanılan yöntemlerden biridir. Bu yöntem, elde edilen arkeolojik buluntunun ne kadar eski olduğunu hesaplamakta kullanılır. Şüphesiz bu amaçla kullanılan yöntemlerin de en meşhurudur. Bu yazıda bulucusu olan bilim insanına Nobel ödülü kazandıran bu yöntemin tarihçesine ve nasıl işlediğine göz atacağız.

Karbonun Kimyasal Yapısı

Karbon elementi doğada 3 farklı formda bulunabilir: Karbon-12, karbon-13 ve karbon-14. Bu 3 farklı karbon izotopunun ortak özelliği, çekirdeklerindeki proton sayılarının eşit olmasıdır. Bu tanecikleri birbirinden ayıran ise çekirdeklerindeki nötron sayılarının farklı olmasıdır. Karbon-12 atomunun 6 tane, karbon-13 atomunun 7 tane ve karbon-14 atomunun 8 tane nötronu vardır. Nötron sayılarının farklı olması atomların kütlelerinin de farklı olmasına yol açar ve bu karbon atomları kütle numaralarına göre isimlendirilir. Örneğin karbon-12 atomunun kütle numarası 12 iken karbon-14 atomunun kütle numarası 14'tür.

Karbon elementinin bu formlarında görüldüğü gibi bir elementin atomlarının proton sayısı aynı, nötron sayısı farklı olan formlarına izotop adı verilir. Karbon-12, karbon-13 ve karbon-14 atomları karbon elementinin izotoplarıdır ve karbon elementi doğada bu 3 atomdan biri halinde bulunabilir. Bu 3 taneciğin dışında karbon atomunun 12 tane daha izotopu vardır, fakat bu izotoplar çok kısa sürede başka taneciklere bozunduğu için doğal ortamda bulunmazlar. Doğada en fazla bulunduğu hal karbon-12 olduğu için karbon elementi dendiğinde genelde karbon-12 isotopu kastedilir.

Karbon elementinin bu 3 izotopunu birbirinden ayıran en önemli özellik karbon-14 izotopunun radyoaktif olması, karbon-12 ve karbon-13 izotoplarının ise radyoaktif olmamasıdır. Karbon-14 izotopu radyoaktif özelliğe sahip olması nedeniyle bir süre sonra bozunur ve doğada eser miktarda bulunur.

Oregon State University

Radyoaktif Bozunma ve Yarı Ömür

Doğada bazı maddeler radyoaktif özellikte olabilirler. Bu tür maddelerin atom çekirdekleri kendiliğinden ışımalar yaparak parçalanabilirler. Bu durumda yeni element atomları ortaya çıkar. Örneğin en çok bilinen radyoaktif maddelerden biri olan uranyum-235 atomu, nötron bombardımanına tutulduğunda baryum-141 ve kripton-92 atomlarını oluşturacak şekilde parçalanır ve bu süreçte üç tane nötron saçar. Bu yazıda kendisinden çokça bahsedeceğimiz karbon-14 atomu da radyoaktif özellik gösterir.

Karbon-14 atomu, atmosferde bulunan azot-14 atomunun kozmik ışınlar tarafından etrafa saçılan nötronlar ile etkileşmesi sonucu sürekli olarak oluşur. Atmosferdeki bu etkileşim sonucu karbon-14 atomu oluşurken yanında bir de proton saçılır. Oluşan karbon-14 atomu çok kısa bir süre içinde atmosferdeki oksijen ile tepkimeye girer ve önce karbonmonoksit, daha sonra da karbondioksit molekülleri oluşturur. Oluşan bu karbondioksit molekülleri, radyoaktif olan karbon-14 atomunu içermektedir.

Doğadaki tüm radyoaktif maddeler belirli bir süre geçtikten sonra bozunma yolu ile ilk baştaki kütlelerinin yarısını kaybederler. Böylece bu süre sonunda kütleleri yarıya düşer. Radyoaktif maddelerin sahip olduğu bu süre değerine yarı ömür denir. Her maddenin kendine has bir yarı ömrü vardır. Örnek vermek gerekirse uranyum-235 atomunun yarı ömrü 700 milyon yıl gibi çok uzun bir süredir. Bu demek oluyor ki bir uranyum-235 atomunun kütlesi 700 milyon yıl sonra yarıya düşer. Karşılaştırma olması adına plütonyum-241 atomunun yarı ömrü sadece 14,5 yıldır. Bundan bile önemli derecede küçük yarı ömür değerlerine sahip maddeler vardır.

Bizim bu yazıda ilgilendiğimiz konu ise karbon-14 atomunun yarı ömrünün ne kadar olduğu olacaktır. Karbon-14 atomu her 5730 yılda kütlesinin yarısını azot-14 atomuna bozunma yolu ile kaybeder. Bu değer radyokarbon tarihlemede çok önemlidir çünkü tarihleme karbon-14 atomunun yarı ömrü kullanılarak yapılır.

Nuclear Power

Radyokarbon Tarihleme Nasıl Çalışır?

Tüm canlılar, yaşamları boyunca yaşadıkları ortam ile denge hâline bulunurlar. Bu denge hâlini sürdürmek için gerektiğinde ortamdan bazı maddeleri alabilir veya bazı maddeleri ortama verebilirler. Gerçekleşen bu madde alışverişi süreci canlıların vücutlarındaki maddenin konsantrasyonu ile aynı maddenin ortamdaki konsantrasyonu eşit düzeyde kalır.

Canlıların yaşadıkları ortamla alışverişte bulundukları maddelerin başında ise karbon gelir. Daha önce atmosferdeki karbon-14 atomlarının karbondioksit moleküllerini oluşturduğundan bahsetmiştik. Karbondioksit ise fotosentez tepkimelerinde kullanılması nedeniyle bitkiler için çok önemli bir moleküldür. Bitkiler sürekli olarak bulundukları ortamdan karbondioksit alırlar ve daha sonra fotosentez yoluyla besin üretirler.

Bitkilerin karbon-14 atomu içeren karbondioksit moleküllerini almaları sonucu sentezledikleri besinin içerisinde de karbon-14 atomu bulunur. Bu bitkilerin otçul hayvanları tarafından yenmesi ve daha sonra da otçul hayvanların etçil hayvanlar tarafından yenmesi ile karbon-14 atomu tüm biyosferde yayılır. Doğadaki herhangi bir canlıda karbon-14 açığı bulunduğu zaman canlı bu açığı kapatmak için yaşadığı çevreden karbon-14 alabilir veya yaşadığı çevreye karbon-14 verebilir. Bu da demek oluyor ki yaşadıkları sürece tüm canlıların vücutlarındaki karbon-14 konsantrasyonu, yaşadıkları ortamdaki karbon-14 konsantrasyonuna eşittir. Ancak canlı ölürse, ortamla olan karbon-14 alışverişini sürdüremez ve denge hâli bozulur. Karbon-14 radyoaktif bir atom olduğu için zaman içerisinde tekrardan azot-14 atomuna bozunur ve sonuç olarak canlı öldükten sonra vücudundaki karbon-14 konsantrasyonu azalır.

Her radyoaktif maddenin sabit bir yarı ömre sahip olduğunu söylemiştik. Karbon-14 atomunun da yarı ömrü 5730 yıl idi. O zaman canlı vücudundaki karbon-14 miktarının sabit bir oranla azaldığını ve bu oranın ne olduğunu bildiğimize göre, bir canlının ne kadar zaman önce öldüğünü hesaplayabiliriz. Bilmemiz gereken şeyler canlının vücudunda bulunan şu anki karbon-14 konsantrasyonu, yaşadığı ortamda bulunan karbon-14 konsantrasyonu ve karbon-14'ün yarı ömrüdür. Canlının vücudundaki karbon-14 konsantrasyonun ne kadar azaldığını ve daha sonra da yarı ömür süresini kullanarak bu azalmanın ne kadar süre boyunca gerçekleştiğinin hesabını yaptığımız takdirde canlının ne kadar zaman önce öldüğünü bulabiliriz. Karbon-14 yöntemi de bu temel prensibe dayanır.

National Library of Medicine

Karbon-14 yönteminde karbon-14 atomunun konsantrasyonunu ölçmek için karbon-14 miktarının karbon-12 miktarına oranı kullanılır. Canlının vücudundaki karbon-14 atomlarının karbon-12 atomlarına oranı ölçülür. Daha sonra bu iki değer arasındaki değişim hesaplanır.

Matematiksel Hesaplar

Bu bölümde karbon-14 yönteminin nasıl işlediğinin daha iyi anlaşılması için bu yöntemde kullanılan matematiksel denklemlere değineceğiz. İşin matematiğine girmek istemeyen okurlar bu bölümü geçebilirler, fakat bizim tavsiyemiz bu bölümün de okunmasıdır.

Radyokarbon tarihleme denklemlerini elde etmek için kinetik teori denklemlerinden yararlanmamız gerekir. Kinetik teoride birince dereceden bir reaksiyonun hızı girenler cinsinden şöyle ifade edilir:

$R=-\frac{\delta [A]}{\delta t}=k[A]$

Burada $R$ tepkime hızını, $t$ zamanı, $k$ hız sabitini ve $[A]$ da $A$ maddesinin derişimini belirtir. Karbon-14'ün bozunması da birinci dereceden bir tepkime olduğu için bu hız bağıntısını kullanmalıyız. Bağıntıda bazı düzenlemeler yaptığımız takdirde (her iki tarafı da önce $\delta t$ ile çarpıp daha sonra $[A]$'ya bölüp integrallerini alınca) şu yeni denklemi elde ederiz:

$A_t=A_0.e^{-kt}$

Bu yeni denklemde sol taraf, $A$ maddesinden $t$ süre sonra ne kadar kaldığını ifade etmektedir. Bu bağıntıda $k$ dışındaki diğer tüm değişkenlerin değeri hesaplanabilirken hız sabiti olan $k$'nın değeri hesaplanamaz. Bu yüzden $k$ yerine daha önce bahsettiğimiz ve değerini bildiğimiz bir sabit olan yarı ömür kullanılır. Yarı ömrün $k$ cinsinden değerini bulmak için yukarıdaki denklem kullanılabilir. $A$ maddesinin kalan miktarı başlangıçtaki miktarının yarısı olduğu için, şu denklemler elde edilebilir:

$\frac{A_0}{2}=A_0.e^{-k.t_{\frac{1}{2}}}$

$\frac{1}{2}=e^{-k.t_{\frac{1}{2}}}$

$k.t_{\frac{1}{2}}=ln2$

$k=\frac{ln2}{t_{\frac{1}{2}}}$

Daha sonra $k$ için elde ettiğimiz bu sonucu aynı denklemde yerine yazarsak hesaplamada kullanılacak olan temel denklemi elde edebiliriz:

Agora Bilim Pazarı

Night and Day (Virginia Woolf)

Night and Day is a novel by Virginia Woolf first published on October 20, 1919. Set in Edwardian London, Night and Day contrasts the daily lives and romantic attachments of two acquaintances, Katharine Hilbery and Mary Datchet. The novel examines the relationships between love, marriage, happiness, and success.

The novel has four major characters: Katharine Hilbery, Mary Datchet, Ralph Denham, and William Rodney. Night and Day deals with questions concerning women’s suffrage, and asks whether love and marriage can coexist and whether marriage is necessary for happiness. Motifs throughout the book include the stars and sky, the River Thames, and walks. Woolf makes many references to the works of William Shakespeare, especially As You Like It.

Warning: Unlike most of the books in our store, this book is in English.
Uyarı: Agora Bilim Pazarı’ndaki diğer birçok kitabın aksine, bu kitap İngilizcedir.

Devamını Göster

₺265.00

Satın Al Tüm Ürünler

• Dış Sitelerde Paylaş

$A_t=A_0.e^{-kt}$

$A_t=A_0.e^{-ln2.{\frac{t}{t}}_{\frac{1}{2}}}$

$A_t=A_0.2^{-\frac{t}{t_{\frac{1}{2}}}}$

$A_t=A_0.(\frac{1}{2}{)}^{\frac{t}{t_{\frac{1}{2}}}}$

Böylece bu denklemi kullanarak yarı ömür süresini bildiğimiz herhangi bir radyoaktif maddenin $t$ kadar süre sonra ne kadarının bozunacağını ve kalan madde miktarını hesaplayabiliriz. Radyokarbon tarihleme yönteminde de bu denklem kullanılır. Denklemde yarı ömür yerine karbon-14'ün yarı ömrü olan 5730 yıl yazılır. Daha sonra canlının vücudunda kalan karbon-14 miktarı ile canlı ilk öldüğünce vücudunda bulunan ve atmosferdeki karbon-14 oranına eşit olan miktar hesaplanarak denklemde yerine yazılır. Böylece aranan $t$ değeri hesaplanır ve canlı öldüğünden bu yana geçen zaman bulunur.

Bu noktada elde ettiğimiz bu denklemin radyokarbon tarihlemede kullanılan tek denklem olmadığını söylemekte fayda var. Radyokarbon tarihleme elbette ki bundan daha karmaşık hesaplamalar içerir, fakat işleri en basit hâle indirgemek istersek bu denklem sürecini temelini anlatmamıza yetecektir.

Ayrıca yukarıda elde ettiğimiz denklemde atmosferdeki karbon-14 oranının hep sabit olduğunu varsaymış olsak da gerçekte durum farklıdır. Atmosferdeki karbon-14 oranı değişebilir ve tarihte bazı büyük değişimlere uğramıştır. Örneğin 1960'lı yıllarda yapılan nükleer testler sonucu atmosferdeki karbon-14 miktarı neredeyse 2 katına çıkmıştır. Bu artış, radyokarbon tarihleme hesaplarında da değişiklikler yapılmasını gerektirmiştir. Tarihte bazı başka nedenlerden dolayı da atmosferdeki karbon-14 miktarının karbon-12 miktarına oranında önemli değişiklikler yaşanmış ve bu değişiklikler radyokarbon tarihlemeyi olumsuz etkilemiştir.

Radyokarbon tarihleme yöntemindeki en önemli adım, yaşı ölçülecek olan örneğin sahip olduğu karbon-14 miktarının ölçümüdür. Bu ölçüm ne kadar hassas yapılırsa elde edilecek olan sonucun da hata payı o derece düşük olur. Bu yüzden tarihleme yapılmadan önce örnekler özel yöntemler ile temizlenmeli ve örnekteki dış faktörler yüzünden elde edilen karbon-14 atomları uzaklaştırılmalıdır. Yapılan yanlış bir ölçüm, sonucu 10.000 yıl kadar etkileyebilir.

Ayrıca gelişen teknoloji ile geliştirilen yeni karbon-14 ölçüm yöntemleri sayesinde hassas ölçümlerin sınırı 26.00 yıldan 50.000 yıla kadar çekilmiştir. Yani 50.00 yıldan daha yaşlı örnekler üzerinde yapılan karbon-14 ölçümleri yeterince hassas değildir ve elde edilen yaş sonucun hata payı yüksektir. Bu karbon-14 yönteminin 50.000 yıldan daha yaşlı örnekler için kullanılamayacağı anlamına gelmez, ancak kullanılırsa elde edilen sonucun doğruluk değerinin meçhul olacağı anlamına gelir. Teknoloji geliştikçe bu alanda daha fazla çalışma yapılmakta ve karbon-14 ölçümleri için daha hassas yöntemler geliştirilmeye çalışılmaktadır.

Karbon-14 Yönteminin Tarihçesi

Bilimdeki diğer birçok önemli gelişmede de olduğu gibi, radyokarbon tarihlemenin keşfinde de bilimsel merak duygusu etkili oldu. Bu keşif süreci, Willard Frank Libby isimli Amerikalı kimyagerin uzaydan gelen kozmik ışınların dünya ve atmosfer üzerinde ne gibi etkileri olabileceğini merak etmesi ile başladı. Daha önce Manhattan Projesi'nde de görev alan ve radyoaktivite üzerine önemli çalışmaları olan Libby, Nobel dersinde belirttiği gibi, o zamanlar kozmik ışınların etkilerinin herhangi bir alanda kullanılıp kullanılamayacağını araştırıyordu.^[1] Bu tür bir araştırmanın o zamanki teknoloji ile gerçekleştirilmesi çok zordu, fakat 1939 yılında bir başka bilim insanı olan Serge Korff'un yaptığı çalışmalar sayesinde Libby'nin hedeflediği keşifler gerçekleştirildi.

Profesör Serge Korff ve ekibi, atmosfere gelen kozmik ışınların ikincil nötronlar oluşturduğunu keşfetti. Aynı zamanda nötronların saniyede santimetrekare başına 2 nötron düşecek şekilde oluştuğu bulundu. Bu keşifle Libby araştırmasını başka bir yöne yöneltti ve atmosferde oluşan bu serbest nötronların ne oluşturacağını araştırmaya başladı. Bu sorunun cevabı da yine Profesör Korff'dan gelecekti. Korff buluşundan sonra yayınlanan bir makalesinde bu serbest nötronların, kendilerine karşı reaktif olan azot gazı ile tepkimeye gireceğini ve bu tepkimenin sonucunda radyokarbon (karbon-14) oluşacağını belirtti. Bu noktadan sonra Libby tamamen atmosferde oluşan karbon-14 atomu üzerine yoğunlaşmaya başladı.

American Chemical Society

Libby işe karbon-14'ün dünya üzerindeki dağılımını incelemekle başladı. Her canlının yaşadığı çevre ile bir denge hâlinde olduğunu bilen Libby, canlıların vücutlarındaki karbon-14 miktarının çevrelerindeki miktara eşit olacağını fark etti. Karbon-14 tüm biyosfere yayılmıştı ve canlı vücuduna bozunmaya uğrayan her bir karbon-14 atomunun yeri canlının yediği besinlerden gelen karbon-14 atomları ile dolduruluyordu. Bu fikri daha sonra farklı canlıların vücutlarındaki karbon-14 oranını ölçüp aynı sonucu elde ederek kanıtladı.

Karbon-14'ü tarihleme için kullanma fikri Libby'nin aklına ilk kez bu zaman geldi ve canlı vücudundaki karbon-14 miktarını hesaplama çalışmalarına başladı. Bu çok zor bir işti ve bunu gerçekleştirebilmek için Libby ve ekibinin yeni bir ölçüm yöntemi bulması gerekiyordu. Bilinen hiçbir ölçüm yöntemi karbon-14 miktarını ölçecek kadar hassas değildi.

Uzun süren bir araştırma döneminin ardından yeni bir ölçüm yöntemi bulmayı başardılar. Bu yöntemin temelinde ise arka plan ışıması vardı. Libby arka plan ışımasının doğasından esinlenerek negatif mu mezonlarını ($\mu -$) kullanan bir yöntem geliştirdi. Geliştirilen bu yöntemle yapılan ölçümün hata payı önemli ölçüde düşürüldü. Böylece Libby ve ekibi herhangi bir örnekteki karbon-14 miktarını ölçebilecek hâle geldiler.

National Library of Medicine

Libby'nin artık yapması gereken tek şey yaşı bilinen bazı tarihi nesneler üzerinde yeni geliştirdiği yöntemi uygulayarak yöntemin işe yarayıp yaramadığını test etmekti. Kullanılacak olan objeler çoğunlukla yaşları bilinen eski ağaç kabukları ve aralarında Antik Mısır'dan kalma objeler de olan, yaşları farklı yöntemlerle ölçülüp doğrulanmış tarihi nesnelerden oluşuyordu. Yapılan testin sonucu ise Libby ve ekibi için oldukça sevindiriciydi: karbon-14 tarihleme yöntemi çalışıyordu!

Her ne kadar ilk ölçümlerde belirli miktarda hata payı bulunsa da sonuçlar büyük ölçüde doğruydu ve ilerleyen zamanlarda yapılan çalışmalar ile bu hata payı önemli miktarda düşürüldü. Radyokarbon tarihleme yönteminin geliştirilmesinde çok büyük bir rol oynayan Libby'nin başarısı, 1960 yılında Nobel Kimya Ödülü ile ödüllendirildi. Radyokarbon tarihleme alanında yaşanan en büyük gelişme ise 1977 yılında hızlandırıcı kütle spektrometresi (AMS) yönteminin geliştirilmesi oldu.

AMS, aynı elementin izotoplarının doğada bulunma yüzdelerini veya nadir bulunan radyoaktif izotop miktarlarını ölçmek için kullanılan hassas bir ölçüm cihazıdır. ^[3] Bazı iyonları çok yüksek hızlara çıkardıktan sonra iyonizasyon dedektörleri sayesinde yapılan ölçümlere dayanır. Bu yöntem sayesinde karbon-14 ölçümleri çok daha hassaslaştırıldı ve radyokarbon tarihleme çok daha kullanışlı hâle getirildi.

Sonuç

Günümüzde, başta arkeoloji olmak üzere birçok bilim dalında yaş tayini için kullanılan yöntemlerin en popülerlerinden biri de radyokarbon tarihlemedir. Bu yöntem temelde canlıların yaşadıkları sürece vücutlarında bulundurdukları karbon-14 oranının, yaşadıkları çevrede bulunan karbon-14 oranına eşit olması fikrine dayanır. Radyokarbon tarihleme sayesinde özellikle 50.000 yıl öncesine kadar olan tarihimizi daha iyi anlayabildik ve birçok tarihsel bilginin doğruluğunu destekleyecek veya bilgiyi çürütecek bulgulara eriştik. Bu yönden bakıldığında karbon-14 yönteminin insanlık tarihi açısından önemli bir keşif olduğu rahatlıkla anlaşılabilir.