ความจริงนั้นไอโซโทปมีครึ่งชีวิตที่ไม่เหมือนใครได้พิสูจน์แล้วว่าอาจเป็นเครื่องมือที่ทรงพลังที่สุดของมนุษยชาติในการทำความเข้าใจประวัติศาสตร์อันยาวนานของโลกของเรา แต่ครึ่งชีวิตคืออะไร เราจะใช้มันอย่างไร และสำหรับเรื่องนั้น ไอโซโทปคืออะไร?
นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและ (นอกเหนือจากส่วนใหญ่ไฮโดรเจน) นิวตรอน จำนวนโปรตอนจะกำหนดว่าธาตุนั้นคือธาตุใด: 8 สำหรับออกซิเจน, 26 สำหรับเหล็ก และ 79 สำหรับทอง อย่างไรก็ตาม จำนวนนิวตรอนอาจแตกต่างกันไป หากอะตอมสองอะตอมมีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเท่ากัน อะตอมทั้งสองจะมีไอโซโทปเท่ากัน ถ้าพวกมันมีจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอนเท่ากัน ไอโซโทปของธาตุเดียวกันก็จะต่างกัน ไอโซโทปถูกกำหนดโดยธาตุ และจำนวนนิวตรอนและโปรตอนทั้งหมดรวมกัน
ไอโซโทปบางชนิดมีความเสถียร ตราบใดที่ไม่มีอะไรเกิดขึ้นกับไอโซโทปเหล่านั้น เช่น เมื่อปะทะกับนิวตรอนเดี่ยวที่ผ่านไป ไอโซโทปเหล่านี้จะคงอยู่ไปตลอดชีวิตของจักรวาล อย่างไรก็ตาม ธาตุส่วนใหญ่มีไอโซโทปที่ไม่เสถียรหลายตัว ซึ่งจะค่อยๆ สลายตัวไปตามกาลเวลา ปล่อยรังสีออกมาและกลายเป็นสิ่งที่แตกต่างออกไป
ตัวอย่างเช่น คาร์บอนที่พบมากที่สุดคือคาร์บอน-12 ซึ่งประกอบไปด้วยโปรตอน 6 ตัวและนิวตรอน 6 ตัว นั่นเป็นความสมดุลที่เหมาะสมของทั้งสองเพื่อความเสถียร และอะตอมของคาร์บอน-12 ทุกอะตอมจะคงอยู่ตลอดไปในสภาพแวดล้อมส่วนใหญ่ นั่นก็เป็นเรื่องที่ดีสำหรับเราเช่นกัน การมีองค์ประกอบหนึ่งในร่างกายที่มีกัมมันตภาพรังสีมากที่สุดอาจเป็นปัญหาได้ คาร์บอน-13 ซึ่งมีนิวตรอนตัวที่ 7 ก่อตัวน้อยมากแต่ก็เสถียรเช่นกัน
อย่างไรก็ตาม คาร์บอน-14 ก็มีอยู่ในธรรมชาติเช่นกัน และเราสามารถสร้างคาร์บอน-11 ในห้องปฏิบัติการได้ ทั้งสองมีกัมมันตภาพรังสี ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะสลายตัว แต่คาร์บอน-11 จะสลายตัวได้เร็วกว่ามาก นี่คือแนวคิดเรื่องครึ่งชีวิตเข้ามา
ไม่สามารถคาดเดาระยะเวลาที่แต่ละอะตอมจะสลายตัวได้ แต่การคาดการณ์ทางสถิติของกลุ่มตัวอย่างขนาดใหญ่สามารถแม่นยำได้มาก
.png)
เครดิตรูปภาพ: zizou7/Shutterstock.com
สำหรับตัวอย่างที่สำคัญของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี ครึ่งหนึ่งของอะตอมจะสลายตัวในช่วงเวลาที่เรียกว่าครึ่งชีวิตของไอโซโทปนั้น หากคุณเก็บคาร์บอน-14 ได้หนึ่งกิโลกรัมอย่างเหมาะสม 5,700 ปีต่อมา ทายาทของคุณจะมีคาร์บอน-14 500 กรัม และไนโตรเจน-14 500 กรัม ในระหว่างนั้น อนุภาคบีตา (อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็ว) จำนวนมหาศาลจะถูกปล่อยออกมา เนื่องจากอะตอมครึ่งหนึ่งเปลี่ยนจากอะตอมหนึ่งไปอีกอะตอมหนึ่ง
ในทางกลับกัน ครึ่งหนึ่งของตัวอย่างคาร์บอน-11 จะกลายเป็นโบรอน-11 ในเวลาเพียง 20 นาที ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเราจึงต้องสร้างมันขึ้นมาเอง สิ่งใด ๆ ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติจะเกิดขึ้นเร็วมาก
คุณอาจคาดหวังว่าในอีก 5,700 ปีข้างหน้า คาร์บอน-14 ที่เหลือก็จะสลายตัวไปด้วย ทำให้คุณเหลือเพียงไนโตรเจน แต่นั่นไม่ได้ทำงานอย่างไร ในทางกลับกัน คาร์บอน-14 ที่เหลือครึ่งหนึ่งจะสลายตัวในเวลานั้น เหลือไว้ 250 กรัม อีก 5.7 พันปี ก็จะเป็น 125 กรัม และต่อๆ ไป
เมื่อเวลาผ่านไปหลายล้านปีและคุณเหลืออะตอมของคาร์บอนเพียงไม่กี่อะตอมสุดท้ายเท่านั้นที่จะเริ่มคาดเดาไม่ได้ - ด้วยขนาดตัวอย่างที่เล็กเช่นนี้ คุณอาจสูญเสียคาร์บอนส่วนใหญ่ที่เหลืออยู่ หรือน้อยกว่าครึ่งหนึ่งอย่างมาก แม้ว่าครึ่งหนึ่งจะเป็น ผลลัพธ์ที่เป็นไปได้มากที่สุด
ทำไมมันถึงสำคัญ
ตามหลักวิทยาศาสตร์แล้ว ครึ่งชีวิตมีความสำคัญต่อความสามารถของเรากำหนดอายุของวัตถุ- พืชและสาหร่ายสังเคราะห์แสงดูดซับคาร์บอนจากชั้นบรรยากาศ โดยจับคาร์บอน-14 จำนวนเล็กน้อยตามสัดส่วนที่ปรากฏอยู่ที่นั่น จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ สิ่งนี้หมายความว่าคาร์บอน-14 ในเนื้อเยื่อพืชที่มีชีวิต และสัตว์ที่มีชีวิตที่กินพืชเหล่านั้นมีค่าคงที่ อย่างไรก็ตาม เมื่อพืชหรือสัตว์ตาย คาร์บอน-14 จะเริ่มสลายตัว ในขณะที่คาร์บอน-12 และ -13 ยังคงเหมือนเดิม หากคุณพบวัตถุที่มีคาร์บอน-14 มากเพียงครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับไอโซโทปของคาร์บอนที่เสถียรเหมือนในบรรยากาศประวัติศาสตร์ นั่นหมายความว่าวัตถุนั้นมีอายุ 5,700 ปี หนึ่งในสี่หมายความว่ามันมีอายุ 10,400 ปี
ด้วยการวัดปริมาณคาร์บอน-14 เราจึงสามารถระบุอายุฟอสซิลของบรรพบุรุษได้เป็นครั้งแรก ซึ่งเป็นก้าวสำคัญในการทำความเข้าใจวิวัฒนาการของเรา นอกจากนี้ยังใช้เพื่อทดสอบความถูกต้องของวัตถุที่อ้างว่าเป็นโบราณวัตถุอีกด้วย
อย่างไรก็ตาม การออกเดทแบบคาร์บอนนั้นมีขีดจำกัด ไม่สามารถใช้วัดอายุของวัตถุที่มีอายุหลายล้านปีได้ เพราะจะเหลือคาร์บอน-14 น้อยมาก ในทางกลับกัน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มนุษยชาติได้ยุ่งเกี่ยวกับอัตราส่วนคาร์บอนในชั้นบรรยากาศ ก่อนหน้านี้ คาร์บอน-14 ส่วนใหญ่ก่อตัวขึ้นจากผลคูณของรังสีคอสมิกที่กระทบอะตอมไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศ คาร์บอนที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลมีคาร์บอน-14 น้อย จึงทำให้อัตราส่วนบรรยากาศลดลงในขณะที่การทดสอบนิวเคลียร์ผลิตมากพอที่จะเพิ่มค่าเฉลี่ยทั่วโลก กิจกรรมของมนุษย์ทั้งสองนี้ทำงานร่วมกัน แต่ทั้งสองได้เปลี่ยนอัตราส่วน ซึ่งในอนาคตจะทำให้เป็นการยากที่จะประมาณอายุของวัตถุในยุคสมัยของเราโดยใช้คาร์บอนเพียงอย่างเดียว
อย่างไรก็ตาม โชคดีที่ยังมีไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีอื่นๆ อีกมากมายที่สามารถใช้ในการหาอายุได้ ซึ่งบางส่วนจะสลายตัวช้ากว่ามาก ทำให้เราสามารถประมาณอายุของวัตถุที่มีอายุมากกว่านั้นได้
ด้วยครึ่งชีวิตนับพันปี อะตอมของคาร์บอน-14 จึงสลายตัวเพียงเล็กน้อยในปีใดก็ตาม เราจึงไม่ได้รับผลกระทบมากนักจากการมีอยู่ของมันในอวัยวะของเรา อย่างไรก็ตาม เรื่องเดียวกันนี้ไม่เป็นความจริงสำหรับอะตอมบางอะตอมที่มีครึ่งชีวิตสั้นกว่า ไอโซโทป เช่นสตรอนเซียม-90-ซีเซียม-137และโคบอลต์-60 นั้นมีครึ่งชีวิตสั้นพอที่จะปล่อยรังสีออกมาได้มาก แต่ก็นานพอที่จะทำให้เมื่ออุบัติเหตุปล่อยออกมา เราก็แทบจะรอให้รังสีหายไปได้อย่างง่ายดาย เมื่อรังสีที่ปล่อยออกมาในการสลายตัวมีพลังงานมากพอที่จะเป็นอันตรายได้ ปัญหาสำคัญก็คือปัญหาสำคัญสำหรับไอโซโทปเหล่านี้หรือผลิตภัณฑ์ที่พวกมันสลายตัวไป
ในทางกลับกัน ไอโซโทปที่มีครึ่งชีวิตสั้นก็มีประโยชน์เช่นกัน เราใช้พวกมันเพื่อการถ่ายภาพทางการแพทย์ ติดตามรังสีที่พวกมันปล่อยออกมาเพื่อระบุปัญหาในร่างกายมนุษย์ หรือเพื่อปล่อยอนุภาคที่เราต้องการสำหรับการทดลองทางวิทยาศาสตร์ บ่อยครั้ง มันเป็นเรื่องของการค้นหาไอโซโทปที่มีครึ่งชีวิตที่เหมาะสมสำหรับงานนี้
แนวคิดเรื่องครึ่งชีวิตยังมีการใช้งานอื่นๆ ด้วยเช่นกัน ยา วิตามิน และสารพิษอาจมีครึ่งชีวิตในร่างกาย โดยครึ่งหนึ่งจะถูกขับออกหรือสลายไปในช่วงเวลาที่กำหนด สำหรับสองรายการแรก สิ่งนี้ช่วยให้เราคำนวณได้ว่าเราต้องเปลี่ยนใหม่เร็วแค่ไหน
