كيف يكتشف العلماء مدى قِدم وعمر الأشياء؟

يمكن أن تساعدنا القدرة على تحديد تاريخ شيء ما بدقة أو تحديد عمره، في اكتشاف متى تشكلت الأرض، وتساعد في معرفة المناخات الماضية وتخبرنا كيف عاش البشر الأوائل.

فكيف يفعل العلماء ذلك؟

يعتبر التأريخ بالكربون المشع الطريقة الأكثر شيوعا حتى الآن، وفقا للخبراء. وتتضمن هذه الطريقة قياس كميات الكربون 14، أحد نظائر الكربون المشعة – أو نسخة من ذرة بعدد مختلف من النيوترونات. ويوجد الكربون 14 في كل مكان في البيئة.

وقال توماس هيغام، عالم الآثار والمتخصص في التأريخ بالكربون المشع في جامعة أكسفورد في إنجلترا، إنه بعد أن يتشكل عاليا في الغلاف الجوي، تتنفسه النباتات والحيوانات، و”كل شيء على قيد الحياة يأخذه”.

وبينما يحتوي الشكل الأكثر شيوعا للكربون على 6 نيوترونات، فإن الكربون 14 يحتوي على اثنين إضافيين. وهذا يجعل النظائر أثقل وأقل استقرارا بكثير من أكثر أشكال الكربون شيوعا. لذلك بعد آلاف السنين، ويتحلل الكربون 14 في النهاية. وينقسم أحد نيوتروناته إلى بروتون وإلكترون. وأثناء هروب الإلكترون، يظل البروتون جزءا من الذرة. ومع وجود نيوترون واحد أقل وبروتون آخر، يتحلل النظير إلى نيتروجين.

وعندما تموت الكائنات الحية، فإنها تتوقف عن امتصاص الكربون 14، وتبدأ الكمية المتبقية في أجسامها العملية البطيئة للانحلال الإشعاعي. ويعرف العلماء المدة التي يستغرقها تحلل نصف كمية معينة من الكربون -14 – وهي فترة زمنية تسمى نصف العمر. ويسمح لهم ذلك بقياس عمر قطعة عضوية – سواء كانت جلد حيوان أو هيكل عظمي أو رماد أو حلقة شجرة – عن طريق قياس نسبة الكربون 14 إلى الكربون 12 المتبقي فيها ومقارنة هذه الكمية بالكربون -14 نصف العمر.

ويبلغ عمر النصف للكربون 14، نحو 5730 عاما، ما يجعله مثاليا للعلماء الذين يرغبون في دراسة آخر 50000 سنة من التاريخ. وقال هيغام: “يغطي هذا الجزء المثير للاهتمام حقا تاريخ البشرية، وأصول الزراعة، وتطور الحضارات: كل هذه الأشياء حدثت في فترة الكربون المشع”.

ومع ذلك، فإن الأجسام الأقدم من ذلك فقدت أكثر من 99٪ من الكربون -14، تاركة القليل جدا للكشف عنها، كما قال بريندان كوريتون، أستاذ الأبحاث المساعد في مختبر الكربون المشع في جامعة ولاية بنسلفانيا. وبالنسبة للأجسام القديمة، لا يستخدم العلماء الكربون 14 كمقياس للعمر. وبدلا من ذلك، غالبا ما يبحثون عن النظائر المشعة للعناصر الأخرى الموجودة في البيئة.

وبالنسبة لأقدم الأشياء في العالم، يعد التأريخ باليورانيوم والثوريوم والرصاص هو الطريقة الأكثر فائدة. وقال هيغام: “نحن نستخدمها في تحديد تاريخ عمر الأرض”.

وفي حين أن التأريخ بالكربون المشع مفيد فقط للمواد التي كانت على قيد الحياة في السابق، يمكن للعلماء استخدام تأريخ اليورانيوم والثوريوم والرصاص لقياس عمر الأشياء مثل الصخور. وفي هذه الطريقة، يقيس العلماء كمية مجموعة متنوعة من النظائر المشعة المختلفة، والتي تتحلل جميعها إلى أشكال ثابتة من الرصاص. وتبدأ سلاسل الانحلال المنفصلة هذه بانهيار اليورانيوم 238 واليورانيوم 235 والثوريوم 232.

وقال تامي ريتنور، عالم الجيولوجيا في جامعة ولاية يوتا: “اليورانيوم والثوريوم نظائر كبيرة جدا، تنفجر في اللحامات. إنها دائما غير مستقرة”. وتتحلل كل هذه “النظائر الأم” في سلسلة مختلفة من النظائر المشعة قبل أن ينتهي بها الأمر كرصاص.

ولكل من هذه النظائر نصف عمر مختلف، يتراوح من أيام إلى مليارات السنين، وفقا لوكالة حماية البيئة. وتماما مثل التأريخ بالكربون المشع، يحسب العلماء النسب بين هذه النظائر، ويقارنونها بنصف عمر كل منها. وباستخدام هذه الطريقة، تمكن العلماء من تحديد تاريخ أقدم صخرة اكتُشفت على الإطلاق، وهي بلورة زركون عمرها 4.4 مليار سنة وجدت في أستراليا.

وهناك طريقة أخرى للتأريخ لا تخبر العلماء عن عمر الجسم، ولكن عندما تعرض آخر مرة للحرارة أو أشعة الشمس. وهذه الطريقة، التي تسمى تأريخ التلألؤ، مفضلة من قبل علماء الجيولوجيا الذين يدرسون التغيرات في المناظر الطبيعية على مدى المليون سنة الماضية – ويمكنهم استخدامها لاكتشاف متى يتشكل نهر جليدي أو يتراجع، وتترسب الصخور فوق الوادي؛ أو عندما ألقى الفيضان الرواسب على حوض نهر.

وعندما تُدفن المعادن الموجودة في هذه الصخور والرواسب، فإنها تتعرض للإشعاع المنبعث من الرواسب حولها. وهذا الإشعاع يطرد الإلكترونات من ذراتها. وتسقط بعض الإلكترونات عائدة إلى الذرات، بينما يعلق البعض الآخر في ثقوب أو عيوب أخرى في شبكة كثيفة من الذرات حولها. ويستغرق التعرض الثاني للحرارة أو أشعة الشمس لإعادة هذه الإلكترونات إلى مواقعها الأصلية.

وهذا بالضبط ما يفعله العلماء. يعرضون عينة للضوء، وعندما تعود الإلكترونات إلى الذرات، تنبعث منها الحرارة والضوء، أو إشارة الإنارة.

وقال ريتنور: “كلما طالت مدة دفن هذا الجسم، زاد تعرضه للإشعاع”. وفي جوهرها، فإن الأجسام المدفونة منذ فترة طويلة والمعرضة للكثير من الإشعاع ستحصل على كمية هائلة من الإلكترونات التي خرجت من مكانها، والتي ستبعث معا ضوءا ساطعا عند عودتها إلى ذراتها، ويخبر مقدار إشارة الإنارة العلماء بالوقت الذي تم فيه دفن الجسم.

ويستخدم علماء الطب الشرعي هذه الطريقة لحل ألغاز الجرائم، من القتل إلى تزوير الفن.