คาร์บอน-14

25 กรกฎาคม 2561

 

        เมื่อปลายเดือนพฤษภาคมที่ผ่านมา มีข่าวฮือฮาตามสื่อต่างๆเรื่องภาพวาดต้นไม้ (รูปที่ 1) ที่อาจเป็นผลงานของจิตรกรนามอุโฆษผู้อาภัพ แวนโก๊ะ (รูปที่ 2) ซึ่งบังเอิญค้นพบที่บ้านเรา ตามข่าวของ BBC ไทย [1]  เจ้าของภาพวาดได้ขอให้นักวิทยาศาสตร์ของสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) หรือ สทน. ช่วยหาอายุของรูปนี้ให้ นักวิทยาศาสตร์ท่านนี้ได้ให้สัมภาษณ์ว่าใช้วิธี Carbon-14 Dating (ถ้าจะแปลเป็นไทยโดยพยายามให้สั้นที่สุด ก็น่าจะเป็นว่า “การวัดหาอายุจากคาร์บอน-14” ) และให้ข้อมูลเพิ่มเติมว่าส่งตัวอย่างไปทำการวัดที่ประเทศสวิตเซอร์แลนด์  บทความนี้ไม่สามารถจะบอกได้ว่าภาพนั้นวาดโดยแวนโก๊ะจริงหรือไม่ คงต้องปล่อยให้เป็นหน้าที่ของผู้เชี่ยวชาญภาพเขียนของแวนโก๊ะ แต่อยากหยิบยกเรื่องคาร์บอน-14 (C-14) และการวัดหาอายุโดยอาศัยไอโซโทปตัวนี้มาคุยกัน

 

 

รูปที่ 1 ภาพต้นไม้ที่เป็นข่าว (ที่มารูป : http://www.one31.net/news/detail/2200)

 

 

รูปที่ 2 Vincent Willem van Gogh (พ.ศ. 2396-2433) จิตรกรชาวดัตช์ วาดรูปตัวเอง (Self-portrait, September 1889), สถานที่แสดงภาพ: Musée d'Orsay กรุงปารีส (ที่มารูป : http://www.reyweb.com/vincent-van-gogh-paintings-worth/) ภาพซิกเนเจอร์ภาพหนึ่งของแวนโก๊ะคือภาพวาดที่ชื่อ “คืนดาวพราวฟ้า”ดังแสดงในรูปที่ 3

 

 

รูปที่ 3 คืนดาวพราวฟ้า (The Starry Night, June 1889) ภาพวาดที่มีชื่อเสียงมากภาพหนึ่งของแวนโกะ นักดนตรีชาวอเมริกันชื่อ Don McLean ประทับใจจนนำไปแต่งเป็นเพลง ชื่อ “ Vincent (Starry, Starry Night)” ซึ่งได้รับความนิยมมากตั้งแต่ปีพ.ศ. 2514  จนถึงปัจจุบัน  ภาพนี้จัดแสดงอยู่ที่: Museum of Modern Art กรุงนิวยอร์ค (ที่มารูป : https://en.wikipedia.org/wiki/Vincent_van_Gogh#/media/File:Van_Gogh_-_Starry_Night_-_Google_Art_Project.jpg)

 

        องค์ประกอบของอากาศแห้งคือ ไนโตรเจน 78.09%, ออกซิเจน 20.95%, อาร์กอน 0.93% และ คาร์บอนไดออกไซด์ 0.04% โดยปริมาตร  ไอโซโทปของคาร์บอนที่พบในธรรมชาติมีอยู่ 3 ตัวคือ C-12, C-13,และ C-14 โดยพบ C-14 ได้น้อยที่สุด กล่าวคือคิดเป็นอัตราส่วน C-14 / C-12 = 1.2 x 10-12 โดย C-13 / C-12 = 0.010659 - 0.011601  และในบรรดาไอโซโทปทั้ง 3 ตัวของคาร์บอนที่พบในธรรมชาตินี้ มี C-14 ตัวเดียวที่ไม่เสถียร คือมีการสลายตัวด้วยการปลดปล่อยรังสีบีตา (beta) ซึ่งก็คืออนุภาคอิเล็กตรอน ที่มีพลังงาน 0.156 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) และอนุภาคปฏินิวตริโน (antineutrino) แล้วเปลี่ยนตัวเองกลายเป็นธาตุไนโตรเจน (N-14) กระบวนการสลายตัวเองนี้ของ C-14 มีค่าครึ่งชีวิต 5,730 ± 40 ปี C-14 ในธรรมชาติถูกผลิต โดยรังสีคอสมิก รูปที่ 4 แสดงให้เห็นว่ารังสีคอสมิกจากดวงอาทิตย์พุ่งชนบรรยากาศชั้นบนของโลก  ทำให้เกิดอนุภาคนิวตรอน ซึ่งเมื่อวิ่งชนไนโตรเจนในบรรยากาศด้านล่างลงมา จะเปลี่ยนให้ N-14  กลายเป็น C-14  กับปลดปล่อยอนุภาคโปรตอน  ผู้ที่ค้นพบเคล็ดลับนี้ของธรรมชาติก็คือนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อ Serge Korff เมื่อปีพ.ศ. 2482

 

 

รูปที่ 4 แผนภาพแสดงการเกิดขึ้นและหายไปของ C-14 ในธรรมชาติ (ที่มารูป : https://science.howstuffworks.com/environmental/earth/geology/carbon-141.htm)

 

        เมื่อตอนที่ยังมีชีวิตอยู่ ไม่ว่าพืช, สัตว์ หรือคน จะหายใจเอา C-14 เข้าไปในตัวตลอดเวลา จึงมี C-14 เป็นองค์ประกอบของเรือนร่างอยู่ด้วยจำนวนหนึ่ง แต่ครั้นเมื่อสิ้นชีวิต หยุดหายใจ จำนวน C-14 มีแต่จะลดจำนวนลงเพราะการสลายตัวของ C-14 ดังกล่าวแล้ว การได้รู้จำนวน C-14 ที่เหลืออยู่ เมื่อเทียบกับจำนวน C-12 กับ C-13 ซึ่งเป็นไอโซโทปเสถียร และรู้ค่าครึ่งชีวิตของ C-14 ดังกล่าวตอนต้น ก็จะทำให้สามารถประเมินอายุของวัตถุโบราณชิ้นนั้นได้

 

        เรื่องนี้มีจุดเริ่มต้นที่ปีพ.ศ. 2492 โดยนักเคมีชาวอเมริกันชื่อ Willard Libby ได้เสนอวิธีกำหนดอายุวัตถุโบราณแบบใหม่ที่ใช้ประโยชน์จากธรรมชาติของ C-14 ดังที่กล่าวมา คือการนับจำนวนรังสีบีตาที่ C-14 ปลดปล่อยออกมา วิธีการนี้เรียกกันต่อมาว่าCarbon-14 Dating แบบ beta-counting ซึ่งมีประโยชน์มากต่องานด้านโบราณคดี Libby ได้รับรางวับโนเบลสาขาเคมีจากผลงานนี้ในปีพ.ศ. 2503 ต่อมาในปีพ.ศ. 2520  นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อ Richard A. Muller ขณะทำงานอยู่ที่ Lawrence Berkeley Laboratory ประเทศสหรัฐอเมริกา เกิดความคิดนำเครื่องเร่งอนุภาค (accelerator) มาแยก C-14 เพื่อนับจำนวน  ซึ่งเป็นที่มาของระบบเครื่องมือเชิงฟิสิกส์ที่เรียกกันว่า Accelerator Mass Spectrometry (AMS) ที่ได้รับการกล่าวขานว่าเป็น “ศิลปะของการนับอะตอมทีละตัวๆ”  รูปที่5 แสดงตัวอย่างระบบ AMS ขององค์การ ANSTO ประเทศออสเตรเลียที่ผู้เขียนเคยไปเห็นมา (ไม่ได้ถ่ายรูปเอง เพราะศูนย์วิจัยแห่งนี้มีกฎห้ามถ่ายรูปเข้มงวด กล้องถ่ายรูปจะถูกยึดไว้ตั้งแต่ตรงประตูทางเข้า)  ปัจจุบันนิยมตรวจวัด C-14 ด้วยเทคนิค AMS มากกว่าวิธีการของ Libby เพราะมีความไว (sensitivity) สูงกว่าและใช้วัตถุตัวอย่างในปริมาณที่น้อยกว่ามากเป็น 1,000 เท่า ทั่วโลกมีระบบAMS อยู่ประมาณ  53 ระบบ รวมถึงระบบของประเทศสวิตเซอร์แลนด์ด้วย ในปัจจุบันยอมรับกันเป็นสากลว่าวิธีการนี้มีความแม่นยำที่สุดในการหาอายุสิ่งของที่เกิดมาจากสิ่งที่เคยมีชีวิตมาก่อนที่มีความเก่าไม่เกิน 60,000 ปี 

 

 

รูปที่ 5 ภาพถ่ายระบบ AMS ของ Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO) ที่ Lucas Heights ทางตอนใต้ของเมืองซิดนีย์ ประเทศออสเตรเลีย ถังเหล็กทรงกระบอกรูปร่างคล้ายตัว Tคือเครื่องเร่งอนุภาคชนิดแทนเด็ม (tandem accelerator) [2] ที่ต่ออยู่กับปลายขาเข้าของเครื่องเร่งอนุภาคคือแม่เหล็กวิเคราะห์ (analysing magnet) พลังงานต่ำกับชุดผลิตไอออน (ion source) ส่วนที่ปลายขาออกของเครื่องเร่งอนุภาคคือ แม่เหล็กวิเคราะห์พลังงานสูงกับหัววัดไอออน เวลาที่ใช้ในการวัดของระบบนี้คือ 40 นาที โดยประมาณ (ที่มารูป :http://www.ansto.gov.au/ResearchHub/OurResearch/environmentresearch/Capabilities/AMS/index.htm)

 

        เพื่อให้เห็นขั้นตอนของเทคนิค AMS พอเป็นสังเขป จะขอยกตัวอย่างการวัดหาอายุของมัมมี่จากประเทศอียิปต์ของพิพิธภัณฑ์ลูฟร์ (Louvre) ประเทศฝรั่งเศส [3]  เริ่มจากนำเส้นผมของมัมมี่ประมาณ 2.5 มิลลิกรัมมาเผาในหลอดแก้วควอตซ์ แยกเอาแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นเก็บไว้  ทำให้คาร์บอนในแก๊ส CO2 กลายเป็นแกรไฟต์บริสุทธิ์เกาะติดกับผงเหล็ก นำผงเหล็กไปอัดเม็ด เอาไปใส่ในชุดผลิตไอออนแบบซีเซี่ยมสปัตเตอริง (Cs-sputter ion source) ซึ่งจะเปลี่ยนให้แกรไฟต์กลายเป็นคาร์บอนไอออนชนิดลบ ตรงนี้มีข้อดีของชุดผลิตไอออนชนิดนี้ คือสามารถกำจัด N-14 ที่มีมวลใกล้เคียงกันอย่างมากกับ C-14 ออกไปได้ (N-14 = 14.003074 u และ C-14 =  14.003242 u) เนื่องจาก N-14 ไม่สามารถถูกทำให้เป็นไอออนลบได้ แต่เนื่องจากคาร์บอนทั้ง 3 ชนิดดังกล่าวมีมวลต่างกันไม่มาก (C-12 = 12.000000 u และ C-13 = 13.003355 u) จึงต้องถูกเร่งให้มีพลังงานจลน์สูงขึ้นกว่าเดิมอีกในเรือน 100 เท่า โดยเครื่องเร่งอนุภาคแทนเด็ม เพื่อเพิ่มศักยภาพในการแยกไอออนในทางปฏิบัติ  ทั้งนี้เพราะมีหลักการว่า

 

R = m (v / qB)                                    (1)

 

        โดย m,v, q คือมวล, ความเร็ว และประจุไฟฟ้าของไอออนตามลำดับ ส่วน R คือรัศมีความโค้งของเส้นทางวิ่งของไอออนในสนามแม่เหล็ก B  จะเห็นได้ว่า รัศมี R ขึ้นกับมวล m ของไอออน  รูปที่ 6  แสดงให้เห็นว่า ในกรณีที่ไอออนมีความเร็วและประจุไฟฟ้าเท่ากัน เมื่อวิ่งผ่านสนามแม่เหล็กเดียวกัน ตัวที่มีมวลมากกว่า หรือว่าหนักกว่า จะวิ่งโค้งที่มีค่ารัศมีมากกว่า เมื่อเพิ่มความเร็วให้มากขึ้น ความแตกต่างของรัศมีก็จะเพิ่มขึ้น จึงสามารถแยกไอออนที่มีมวลไม่เท่ากันออกจากกันได้ บทบาทสำคัญอีกประการของเครื่องเร่งอนุภาคแทนเด็มก็คือ  กระบวนการสตริปปิ้ง (stripping process) ตรงช่วงกลางของเครื่องซึ่งมีหน้าที่หลักในการเปลี่ยนไอออนลบให้เป็นไอออนบวก ยังมีความสามารถกำจัดพวกโมเลกุลที่ไม่พึงประสงค์ออกไปได้อีกด้วย ทำให้สัญญาณรบกวนมีน้อยลงมาก

 

 

รูปที่ 6 แผนภาพอย่างง่ายแสดงหลักการพื้นฐานของเครื่อง Mass Spectrometry  เช่นในกรณีนี้คือการแยกและนับจำนวนไอโซโทปทั้งสามของคาร์บอน  โดยมื่อไอออนที่มีความเร็ว v และประจุไฟฟ้าบวก q วิ่งไปพบกับสนามแม่เหล็ก B ในแนวพุ่งตั้งฉากออกมาจากหน้าจอ  ไอออนนั้นจะวิ่งโค้งเป็นส่วนของวงกลมที่มีรัศมีเป็นไปตามสมการที่ 1 เมื่อไอออน m1 มีมวลน้อยกว่าไอออน m2 ซึ่งมีมวลน้อยกว่าไอออน m3 รัศมี R1 จึงสั้นที่สุด และรัศมี R3 จึงยาวที่สุด

 

            หลังจากนั้นนำจำนวนของ C-14 ที่วัดได้ไปเข้าขั้นตอนการคำนวณและสอบเทียบตาม protocol ที่มีอยู่แล้ว เช่นสอบเทียบกับต้นไม้เก่าแก่ที่ทราบอายุแน่นอน (นับจากวงปี) เป็นต้น  ในที่สุดแล้วก็จะทำให้ได้อายุของวัตถุตัวอย่างชิ้นนั้น เช่นกรณีของมัมมี่ ดังแสดงในรูปที่ 7 เทคนิค AMS ระบุว่ามีอายุ 1,275  30 ปี BP (ย้อนหลังไป 1,275 ปี ก่อนวันที่ 1 มกราคม พ.ศ. 2493 โดยมีความคลาดเคลื่อน 30 ปี) นั่นคือเป็นมัมมี่ของยุคจักรวรรดิไบแซนไทน์ (Byzantine)

 

 

รูปที่ 7 มัมมี่ดำ (black mummy) เป็นหนึ่งในมัมมี่ที่พบในสุสานที่แหล่งขุดค้น Antinoe ประเทศอียิปต์ ระหว่างปีพ.ศ. 2438 2453 โดยนักโบราณคดีชาวฝรั่งเศสชื่อ Albert Gayet ถูกนำไปเก็บรักษาไว้ที่ Museum of Confluences  เมือง Lyon ประเทศฝรั่งเศส [3]

 

         ท่านผู้อ่านคงเห็นแล้วว่าไม่ใช่เรื่องเหลือบ่ากว่าแรงอะไรเลยของเทคนิค AMS ที่จะระบุอายุของไม้กรอบรูป หรือ ผ้าใบที่มีอายุในเรือน 150 - 160ปี เพราะมัมมี่อายุเป็นพันปียังวัดได้สบายๆ แต่ข้อมูลเชิงวิทยาศาสตร์เพียงแค่นี้คงไม่พอที่จะบอกว่าแวนโก๊ะเป็นคนวาดรูปนี้หรือไม่ จำเป็นต้องอาศัยข้อมูลเชิงศิลปกรรมด้วย

 

        ไหนๆก็พูดถึง C-14 แล้ว ผู้เขียนขอแถมอีกเรื่อง เพื่อเป็นข้อมูลของนักดื่มไวน์ (wine) กล่าวคือสามารถใช้ C-14 เป็นตัวบ่งบอกไวน์แท้ หรือไวน์ปลอมได้ ทั้งนี้เพราะรัฐบาลอเมริกันมีกฎข้อห้ามเรื่องแอลกอฮอล์สำหรับการบริโภคของมนุษย์อยู่ว่า ต้องเป็นแอลกอฮอล์ที่ทำมาจากเมล็ดธัญพืช องุ่น หรือผลไม้เท่านั้น ห้ามใช้แอลกอฮอล์ที่ทำมาจากปิโตรเลียม ดังนั้นจึงแปลว่าไวน์ที่ถูกกฎหมายจึงต้องเป็นไวน์กัมมันตรังสี (อ่อนๆ) ถ้าสมมุติมีคนอุตริทำไวน์ปลอมโดยนำน้ำองุ่นมาผสมด้วยแอลกอฮอล์ที่ทำมาจากน้ำมันปิโตรเลียม จะเป็นไวน์ที่วัดรังสีบีตาไม่ได้ เนื่องจากปิโตรเลียมถึงแม้จะเกิดมาจากพืชและสัตว์ แต่เป็นพืชและสัตว์ที่ตายมาแล้วนับร้อยล้านปี  C-14 ที่มีค่าครึ่งชีวิต 5,730 ปี จึงสลายตัวไปหมดแล้ว หวังว่าข้อมูลนี้จะทำให้การดื่มไวน์มีรสชาติมากขึ้น

 

 

รูปที่ 8 ปริมาณไวน์ที่บริโภคทั่วโลกในปีพ.ศ. 2560 คือ 24,300 ล้านลิตร (ที่มารูป : http://uk.businessinsider.com/7-wine-rules-that-you-should-break-2015-10)

 

เอกสารอ้างอิง

 

[1] ฐิติพล ปัญญาลิมปนันท์, “เส้นทางพิสูจน์ภาพแวนโก๊ะของอุ๊หฤทัย”, http://www.bbc.com/thai/thailand-44304663, 30 พฤษภาคม 2018.

[2]สมศร สิงขรัตน์ และ อุดมรัตน์ ทิพวรรณ, “เครื่องเร่งอนุภาคแทนเด็มขนาด 1.7 ล้านโวลต์ เครื่องแรกของประเทศไทย”, บทที่ 2 ใน “เครื่องเร่งอนุภาค: การกำเนิดและการใช้งานเชิงฟิสิกส์และประยุกต์เพื่อสังคมไทย”, บรรณาธิการ: ถิรพัฒน์ วิลัยทอง, พ.ศ. 2558, ISBN 978-616-395-261-5, หน้า 25 53.

[3] Pascale Richardin, Magali Coudert, Nathalie Gandolfo and Julien Vincent, “Radiocarbon dating of mummified human remains: Application to a series of Coptic mummies from the Louvre Museum”, RADIOCARBON 55(2013)345-352.

บทความย้อนหลัง

หน้ากากผ้า


ฟิสิกส์ของการผัดข้าวผัด


ภาวะโลกร้อน: มุมมองเชิงฟิสิกส์


สนามแม่เหล็กโลก – สลับขั้ว?


ไฟฟ้ากับแมลง


กราฟีน : วัสดุมหัศจรรย์ประโยชน์อนันต์


การกำจัดขยะด้วยพลาสมาร้อน


คาร์บอน-14


ดวงอาทิตย์กับกลศาสตร์ควอนตัม


กลศาสตร์ควอนตัมในชีวิตประจำวัน


การบำบัดรักษาด้วยลำอนุภาคโปรตอน (Proton Therapy)


เรื่องของหลอดไส้


เตาอบไมโครเวฟ


เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารอบตัวเราที่ชื่อว่าไวฟาย (WiFi)


ประกวดออกแบบตราสัญลักษณ์ ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์


ฟิล์มกันความร้อนติดรถยนต์


ฟิสิกส์ของรถจักรยาน


วิธีคลายร้อนให้เมือง


ทำไมคนเราถึงเดินแกว่งมือ


แอลอีดีความเข้มสูง (High Brightness LED)


บทความทั้งหมด