เวลาเห็นมัมมี่ กระดูกไดโนเสาร์ หนังสือจารึกโบราณ ภาพวาดตามผนังถ้ำ ฯลฯ เรามักจะมีคำถามในใจว่า สิ่งที่เห็นนั้น ใครเป็นผู้สร้าง ถูกประดิษฐ์ขึ้นมาด้วยวัตถุประสงค์อะไร และรวมถึงเมื่อไรด้วย นักวิทยาศาสตร์ก็มีความอยากรู้อยากเข้าใจในสิ่งที่เห็นเช่นกัน และอาจมีคำถามว่า เอกภพถือกำเนิดเมื่อใด โลกมีอายุเท่าไร และมนุษย์เดินสองขาเป็นครั้งแรกเมื่อใด เป็นต้น
ความต้องการจะรู้คำตอบในประเด็นเวลาที่เหตุการณ์เกิดขึ้นในอดีตได้ชักนำให้นักวิทยาศาสตร์พัฒนาเทคนิคการวัดอายุของวัตถุโบราณ และผลลัพธ์ที่เกิดจากความต้องการนี้ได้ช่วยปฏิรูปวิทยาการสาขาอื่นๆ เช่น ประวัติศาสตร์ โบราณคดี ดึกดำบรรพ์วิทยา ธรณีวิทยา รวมถึงใช้ในการตรวจจับการแอบอ้างที่เลื่อนลอยด้วย
ย้อนอดีตไปถึงปี 1896 ได้มีนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสคนหนึ่งชื่อ Henri Becquerel ซึ่งได้พบโดยบังเอิญว่า เวลาเขานำผลึกของ potassium uranyl sulfate ไปวางไว้กลางแดดเป็นเวลานานหลายชั่วโมง เพราะเชื่อว่า แสงแดดสามารถกระตุ้นให้สารประกอบชนิดนี้เรืองแสงได้ จากนั้นได้นำสารไปวางใกล้แผ่นกระจกถ่ายรูปที่มีกระดาษสีดำห่อหุ้มมิดชิด เพราะ Becquerel คาดหวังว่า สารจะปล่อยรังสีเอ็กซ์ออกมา ซึ่งจะทะลุกระดาษไปกระทบฟิล์มถ่ายรูป ดังนั้น ถ้านำแผ่นกระจกฟิล์มไปล้าง ภาพที่ได้ก็จะมัว เพราะถูกรังสีรบกวน Becquerel จึงคิดไปว่า แสงอาทิตย์ทำให้เกลือยูเรเนียมปล่อยรังสีเอ็กซ์ออกมา
แต่ฟิล์มถ่ายรูปก็ยังปรากฏว่ามัว แม้เกลือยูเรเนียมไม่เคยได้รับแสงแดดใดๆ เมื่อเป็นเช่นนี้ รังสีที่ออกมาก็มิใช่รังสีเอ็กซ์ และจะเบนเส้นทางของรังสีเวลามีสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กมากระทำ ในขณะที่รังสีเอ็กซ์จะไม่เบนเลย Becquerel จึงได้ชื่อว่าเป็นผู้พบปรากฏการณ์กัมมันตรังสีที่ธาตุบางชนิดปล่อยรังสีออกมา โดยรังสีนั้นมิใช่รังสีเอ็กซ์
ผลการค้นพบนี้ทำให้ Becquerel ได้รับครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1903 ร่วมกับสองสามี-ภรรยา ชื่อ Pierre และ Marie Curie ซึ่งได้ศึกษาธรรมชาติของรังสีที่ Becquerel พบว่า เป็นอนุภาคแอลฟาและอนุภาคบีต้าที่มีประจุบวก และลบตามลำดับ จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็ได้พบธาตุกัมมันตรังสีอื่นๆ อีกหลายชนิด และธาตุเหล่านี้ต่างก็มีความรวดเร็วในการปล่อยรังสี คือสลายตัวที่แตกต่างกัน เช่น ธาตุ carbon (C) มี 3 ไอโซโทป (isotope) ซึ่งได้แก่คาร์บอน-12 (12C) คาร์บอน-13 (13C) และคาร์บอน-14 (14C) เพราะธาตุเหล่านี้มีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเท่ากัน คาร์บอน-12 นั้นมีมากที่สุดในธรรมชาติ คือ 99% ที่เหลือ คือ 13C และ carbon-14 ซึ่งมีเพียง 0.0000000001% ของ carbon-12 ที่มีในบรรยากาศโลก เราจึงอาจเปรียบเทียบได้ว่า ถ้าธรรมชาติมี 14C 1 อะตอม จำนวนอะตอมของ 12C จะมีมากถึงหนึ่งล้านล้านอะตอม เพราะหลักการวัดอายุของวัตถุโบราณมีว่าจะต้องรู้จำนวนอะตอมของ C-14 ที่อยู่ท่ามกลางอะตอม C-12 ที่มีจำนวนมากกว่าเป็นล้านล้านเท่าให้ได้
14C จึงเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีประโยชน์ในการใช้วัดอายุของวัตถุโบราณที่มีอายุไม่เกิน 5,000 ปี
บุคคลแรกที่ประสบความสำเร็จในการประดิษฐ์เทคโนโลยีการวัดอายุโดยใช้ 14C คือ Willard F. Libby
Willard Frank Libby เกิดเมื่อวันที่ 17 ธันวาคม ค.ศ.1908 ที่เมือง Grand Valleyในรัฐ Colorado ประเทศสหรัฐอเมริกา เขาเป็นผู้ที่มีบทบาทสำคัญในการบุกเบิกวิทยาการวัดอายุของวัตถุโบราณด้วยธาตุคาร์บอนกัมมันตรังสี (radiocarbon dating) ซึ่งเป็นเทคนิคที่ได้ปฏิรูปการวิจัยด้านโบราณคดี ธรณีวิทยา ประวัติศาสตร์ ธรณีฟิสิกส์ และดึกดำบรรพ์วิทยาอย่างมโหฬาร จนทำให้ Libbby ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 1960
ครอบครัวของ Libby เป็นเกษตรกร เมื่ออายุ 5 ขวบ Libbby ได้เข้ารับการศึกษาเบื้องต้นที่เมือง Sebastopol ในรัฐ California แล้วไปเรียนต่อระดับปริญญาตรีสาขาเคมีที่มหาวิทยาลัย California วิทยาเขต Berkeley จนสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกเมื่ออายุ 25 ปี โดยทำวิทยานิพนธ์เรื่องเทคนิคการตรวจรับกัมมันตรังสีที่เปล่งออกมาจากธาตุ samarium กับ neodymium จากนั้นได้งานเป็นอาจารย์ที่ภาควิชาเคมีแห่งมหาวิทยาลัย California ที่ตนสำเร็จการศึกษามา
เมื่อกองทัพอากาศของญี่ปุ่นบุกโจมตี Pearl Harbor ในวันที่ 8 ธันวาคม ค.ศ.1941 เหตุการณ์นี้ทำให้สหรัฐอเมริกาเข้าร่วมกับฝ่ายสัมพันธมิตรในสงครามโลกครั้งที่ 2 Libby ซึ่งมีความรักชาติมากได้เข้าร่วมสงคราม โดยทำงานในห้องปฏิบัติการของ Harold Urey (นักเคมีรางวัลโนเบลประจำปี 1939 จากการค้นพบ deuterium (21H) ซึ่งเป็น isotope หนึ่งของธาตุ hydrogen เพราะ nucleus ของธาตุนี้มี proton และ neutron อย่างละ 1 อนุภาค) ซึ่งเป็นหัวหน้าทีมคนหนึ่งในโครงการ Manhattan ที่กำลังสร้างระเบิดปรมาณูของอเมริกา
Libby มีหน้าที่หลักคือ พยายามสกัด uranium-235 ที่มีประมาณ 0.7% และมักรวมอยู่กับ U-238 ที่มีประมาณ 99.3% จากสารประกอบ uranium hexafluoride (UF6) โดยใช้เทคนิคการแพร่ซึม เพราะ U-235 สามารถนำไปใช้สร้างระเบิดปรมาณูจากปฏิกริยา fission ได้ ในที่สุดโครงการก็ประสบความสำเร็จ เพราะในวันที่ 6 สิงหาคม ค.ศ.1945 เมือง Hiroshima ของญี่ปุ่นได้ถูกถล่มจนราบคาบด้วยระเบิดปรมาณู
หลังสงครามโลกครั้งที่ 2 Libby ได้เข้ารับตำแหน่งศาสตราจารย์เคมีแห่งมหาวิทยาลัย Chicago และหันกลับไปสนใจเรื่องธรรมชาติของปรากฎการณ์กัมมันตรังสีอีก เพราะได้ข่าวจาก Serge Korff ว่า รังสีคอสมิกจากอวกาศที่พุ่งมากระหน่ำโลกอยู่ตลอดเวลานั้น เวลากระทบโมเลกุลของอากาศ จะทำให้เกิดอนุภาคนิวตรอนจำนวนมาก ซึ่งจะเข้าทำปฏิกริยานิวเคลียร์กับไนโตรเจนในอากาศ ดังปฏิกริยา
10n + 147N → 146C+11H
เมื่อ10n คือ neutron
147N คือ nitrogen-14 เพราะนิวเคลียสของมันมี proton 7 อนุภาค และ neutron 7 อนุภาค
146C คือ carbon-14 เพราะนิวเคลียสของมันมี proton 6 อนุภาค และ neutron 8 อนุภาค
และ11H คือ proton
ต่อจากนั้น 146C ที่เกิดขึ้นก็จะเข้าทำปฏิกริยากับออกซิเจนในบรรยากาศ ทำให้เกิดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ CO2 (ธาตุ C ที่มีใน CO2 ขณะนี้เป็น carbon-14 ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสี ส่วน carbon-12 และ carbon-13 เป็นคาร์บอนธรรมดาที่ไม่มีกัมมันตรังสีใดๆ) แล้วแก๊ส CO2 ที่เกิดขึ้นจะลอยอยู่ในบรรยากาศ แต่ก็มีบางส่วนที่ละลายหายไปในน้ำทะเล
สำหรับ CO2 ที่อยู่ในอากาศนั้นจะถูกพืชหายใจเข้าไป เพื่อใช้ในกระบวนการสังเคราะห์อาหารด้วยแสง (photosynthesis) หรือเวลาพืชถูกสัตว์กิน คาร์บอน-14 ที่มีในพืชก็จะเข้าไปอยู่ในร่างกายและกระดูกของสัตว์ ครั้นเมื่อถึงเวลาที่ต้นไม้และสัตว์ตาย ปริมาณ C-14 ที่มีในต้นไม้ และในสัตว์ก็จะไม่เพิ่มอีกต่อไป
และเริ่มสลายตัว ดังปฏิกิริยา
146C → 147N + 0-1e + -υe
ในที่นี้ 0-1e คือ อนุภาคบีต้า หรืออิเล็กตรอน
และ-υe คือ อนุภาค electron antineutrino
การตรวจจับ 0-1e ที่ถูกปลดปล่อยออกมา จึงสามารถบอกจำนวนนิวเคลียสและปริมาณของ carbon-14 ได้
คาร์บอน-14 มีครึ่งชีวิตเท่ากับ 5,730 ปี ซึ่งหมายความว่า หลังจากที่เวลาผ่านไป 5,730 ปี จำนวนนิวเคลียสของ C-14 ที่ยังไม่สลายตัว จะมีครึ่งหนึ่ง ½ ของจำนวนตั้งต้น และเมื่อเวลาผ่านไปอีก 5,730 ปี จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลายก็จะเหลือครึ่งหนึ่งของเดิม คือ เหลือเพียงหนึ่งในสี่ของจำนวนตั้งต้น การลดจะเป็นเช่นนี้ไปเรื่อยๆ
ดังนั้นเมื่อรู้ค่าครึ่งชีวิตของ 14C และรู้จำนวนนิวเคลียสของ C-14 ในวัสดุตัวอย่าง ณ เวลาปัจจุบัน ต่อจำนวน C อะตอมที่มีทั้งหมด เหล่าตัวเลขที่ได้นี้จะบอกเวลาที่ซากพืชหรือซากสัตว์ได้ตายไป
ในปี 1946 Libby ได้ตีพิมพ์ผลงานเรื่องนี้เป็นครั้งแรก และในเวลาต่อมาเขาได้พัฒนาเทคนิคการตรวจจับกัมมันตรังสีให้ดียิ่งขึ้น อีกทั้งยังได้ทดสอบความถูกต้องของเทคนิคที่ใช้ในการวัดอายุ โดยนำไปเปรียบเทียบกับอายุที่วัดได้จากวงปีของพืช (ต้น sequoia)
ในปี 1954 Libby ได้เป็นกรรมการคนหนึ่งในคณะกรรมาธิการพลังงานปรมาณู (Atomic Energy Commission) ในบังคับบัญชาของประธานาธิบดี D. Eisenhower องค์การนี้เป็นองค์การที่มีบทบาทมากในการส่งเสริมให้ประเทศต่างๆ ใช้พลังงานปรมาณูในทางสันติ แต่เมื่อชาติมหาอำนาจทั้งอเมริกา รัสเซีย อังกฤษ และฝรั่งเศสได้ระดมทดสอบระเบิดปรมาณูในอากาศ เหตุการณ์นี้ทำให้คนทั่วโลกกลัวฝุ่นกัมมันตรังสีที่เกิดขึ้น ในเบื้องต้น Libby ได้ออกมาต่อต้านว่า สิ่งที่ทุกคนกลัวไม่มีมูลความจริง แต่ในที่สุด เขาก็กลับใจ และได้ขอลาออกจากคณะกรรมมาธิการ AEC เพื่อกลับไปเป็นศาสตราจารย์เคมีที่มหาวิทยาลัย California ที่ Los Angeles และอยู่ที่นั่นจนเกษียณชีวิตทำงานเมื่ออายุ 68 ปี และได้เสียชีวิตในปี 3 ปีต่อมา
สำหรับรางวัลและเกียรติยศที่ Libby ได้รับ ได้แก่ รางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 1960 เหรียญ Albert Einstein ในปี 1959 รางวัล Gibbs ในปี 1958 และรางวัล Joseph Priestley ในปี 1959 เป็นต้น
ถึงวันนี้ เทคโนโลยีด้านนี้ได้วิวัฒนาการไปมาก เพราะเหตุว่าจำนวนอะตอม C-14 ในวัสดุมีค่าน้อยมาก (1 ใน 1012 เหมือนการหาเพื่อนที่รู้จัก 1 คนในฝูงชนล้านล้านคน) การวัดจำนวนจึงเป็นเรื่องที่ท้าทายมาก และนักวิชาการมักใช้อุปกรณ์ mass spectrometer เพื่อแยกไอออนที่มีมวลต่างกัน ออกจากกันโดยใช้สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า และได้พบว่า 14C กับ 14N มีมวลใกล้เคียงกันมาก (14C มี 6 proton และ 8 neutron ส่วน 14N มี 7 proton และ 7 neutron) เพราะ 14N เป็น isotope หนึ่งของ nitrogen ที่มีในบรรยากาศโลกมากที่สุด ดังนั้นถ้าวัตถุที่ต้องการวัดอายุมี 14N มาก สัญญาณที่ได้จาก 14C จะถูกรบกวนจาก 14N จนค่าอายุบิดเบือนไปได้
ณ วันนี้เทคนิค high-energy accelerator mass spectrometry ที่ใช้เร่ง ion จนมีพลังงานสูงสามารถเอาชนะข้อจำกัดนี้ได้แล้ว
ในการวัดอายุด้วยเทคนิคนี้ ชิ้นตัวอย่างของวัตถุจะถูกทำให้เป็นคาร์บอนในรูปของ graphite ก่อน โดยใช้กระบวนการทางเคมี จากนั้น นำ graphite ที่ได้ไประดมยิงด้วยไอออนของ cesium เพื่อทำให้ไอออนของ carbon ที่ได้มีประจุลบแล้วนำเข้าเครื่องเร่งอนุภาคที่มีความต่างศักย์สูงมากเป็นล้านโวลท์ ถึงตอนนี้ carbon ที่เป็นไอออนลบจะมีความเร็วสูงจนเกือบเท่าความเร็วแสง แล้วปล่อยไอออนลบเข้าไปในภาชนะที่มีแก๊ส หรือแผ่นฟิล์มบางชนกับตัวกลางจะทำให้มันเสียอิเล็กตรอนไป และกลายเป็นไอออนบวก จากนั้นนักวิจัยก็จะลงมือวัดมวล
เพราะเหตุว่าอะตอมของไนโตรเจนไม่มีวันกลายเป็นไอออนลบที่เสถียร ดังนั้นข้อมูลที่ได้จากการวัด จึงปลอดจากการถูกรบกวนโดย 14N
แต่ข้อเสียของเทคนิคนี้ คือ อุปกรณ์ที่ใช้มีราคาแพงมาก อีกทั้งการเก็บรักษาและการใช้มันทำงานเป็นเรื่องที่ต้องใช้งบประมาณสูง
ดังนั้นจะมีแต่ประเทศร่ำรวยเท่านั้นที่จะมีอุปกรณ์นี้ใช้ เมื่อเป็นเช่นนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงต้องออกแบบอุปกรณ์ที่มีราคาถูกกว่า และใช้ง่ายกว่า โดยนำวัตถุที่ต้องการจะวัดอายุมา oxidize ให้สมบูรณ์ จนอะตอมของคาร์บอนทุกอะตอมที่มีในวัตถุตัวอย่าง (ทั้ง 12C, 13C และ 14C) เปลี่ยนไปเป็น CO2 อย่างสมบูรณ์ 100% ดังนั้น CO2 ที่ได้จะประกอบด้วย carbon isotope ที่แตกต่างกัน ดังนั้นมันจะถูกกลืนรังสี infrared ที่มีความถี่แตกต่างกัน (แม้จะเล็กน้อยก็ตาม) ด้วยเหตุนี้ การวัดความเข้มของเส้นสเปกตรัมที่แสดงการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดจะเป็นตัวบอกอัตราส่วนของ 12C, 13C และ 14C ที่มีในวัตถุตัวอย่างได้
ข้อดีอีกประการหนึ่งของการใช้เทคนิคนี้คือการไม่ถูกอะตอมของ nitrogen หรือโมเลกุลของไอน้ำรบกวน เพราะไนโตรเจนและไอน้ำจะไม่ดูดกลืนรังสีอินฟราเรด
เทคนิคการใช้รังสีอินฟราเรดในการวัดปริมาณ 14C/C ทั้งหมดยังได้รับการพัฒนาต่อโดยใช้ saturated-absorption Cavity ring-down spectroscopy ที่ทำสารตัวอย่างให้อยู่ในสภาพแก๊สอย่างสมบูรณ์ แล้วนำไปบรรจุในภาชนะที่มีกระจกสะท้อนแสงได้ดี เมื่อมีการผ่านรังสีอินฟราเรดเข้าไปในภาชนะ รังสีจะสะท้อนกลับไปกลับมาหลายครั้ง การดูดกลืนจึงเกิดขึ้นมากทำให้อุปกรณ์มีความไวสูง จนสามารถวัด 14C ได้ 43 ส่วนจากจำนวนนิวเคลียสของคาร์บอน C 1015 ส่วนได้ และข้อดีประการสุดท้ายคือ อุปกรณ์นี้มีราคาถูกเพียง 14 ล้านบาทเท่านั้นเอง
จึงเป็นที่คาดหวังว่า เทคนิคนี้จะเป็นที่นิยมใช้ในการวัดอายุของวัตถุโบราณที่มี isotope ของธาตุอื่นนอกเหนือจาก 14C เช่น 3He, 10Be, 21Ne, 26Al และ 36Cl ในอนาคต
อ่านเพิ่มเติมจาก Radiocarbon Dating โดย W.F. Libby จัดพิมพ์โดย University of Chicago Press ปี 1955
เกี่ยวกับผู้เขียน สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์