Gönderen Konu: Radyokarbon Tarihleme Yöntemi  (Okunma sayısı 876 defa)

0 Üye ve 1 Ziyaretçi konuyu incelemekte.

Çevrimdışı Wolfeye

  • Yönetici
  • *
  • İleti: 4719
  • Teşekkür: 55
  • Cinsiyet: Bay
    • Sanat tarihi
Radyokarbon Tarihleme Yöntemi
« : 10 Aralık 2008, 20:56:40 »
Radyokarbon Tarihleme Yöntemi


                                                                                    Dr. Mustafa Özbakan∗





Özet


Arkeolojik kazılarda içinde karbon elementi bulunan çeşitli buluntular elde edilir. Karbon içeren buluntularda eser olarak bulunan radyoaktif 14C (radyokarbon) izotopunun yoğunluğu ya da radyoaktivitesi ölçülerek buluntular tarihlenebilir. Radyokarbon tarihleme yöntemi, bulunduğu 1950 yılından günümüze, yaklaşık son 50 bin yılda yeryüzünde meydana gelen arkeolojik, paleobotanik ve jeolojik olayların mutlak tarihlenmesi için kullanılan ana yöntem durumuna gelmiştir. Yöntemin Bulunuşu Radyokarbon tarihleme yöntemini Chicago Üniversitesi’nde W. F. Libby (1908-1980) yönetiminde çalışan bir grup bilim insanı 2. Dünyü Savaşı’nı izleyen yıllarda bulmuştur. Yöntemle ilgili ilk yayın Arnold ve Libby (1949) tarafından Science dergisinde "Age determinations by radiocarbon content: Checks with samples of known age" başlığıyla yapılmıştır. Libby ve arkadaşları, aynı zamanda yöntemlerini sınamak için, ilk ölçümlerini yaşları başka yöntemlerle de belirlenmiş olan Mısır medeniyeti buluntuları ile gerçekleştirmişlerdir. Elde ettikleri radyokarbon yöntemi sonuçlarının, deneysel belirsizlik sınırları içinde, diğer yöntemlerle bulunan sonuçlarla uyuştuğu görülmüştür. Kısa bir süre içinde başka laboratuvarlar kurulmuş ve 1950’li yılların başlarında 8 olan laboratuvar sayısı 1950’li yılların sonunda 20 ye çıkmıştır. Günümüzde yaklaşık 130 laboratuvarda radyokarbon yöntemiyle tarihlemeler yapılmaktadır.


Libby 14C izotopunun arkeoloji, jeoloji, jeofizik ve diğer dallarda tarihleme amaçlı kullanımı yöntemini bulduğu için 1960 yılı Nobel Kimya Ödülü’nü almıştır. Kendisini ödüle aday gösteren bir bilim insanının deyişiyle radyokarbon yöntemi hemen herkesin ilgisini çeken ve birçok bilim dalındaki düşünceleri etkileyen bir buluştur ve böyle buluşlar çok nadirdir.


Yöntemin Temelleri


Doğada yaygın olarak bulunan karbon elementinin radyoaktif izotopu 14C atmosferin üst tabakalarında uzaydan gelen kozmik ışınların atmosferdeki nitrojen gazıyla tepkimesi sonucunda oluşur. Oluşan 14C atomları atmosferdeki oksijen elementiyle tepkimeye girer, karbon dioksit gazı (CO2) haline gelir, atmosferdeki diğer gazlarla karışır ve hızla atmosferin her tarafına dağılır.


Atmosferdeki karbon dioksit gazının büyük bir kısmı karbonat çözeltisi halinde okyanus, deniz ve göllere geçer. Buralarda yaşayan canlıların vücutlarında yer alır. Zamanla okyanusların dibine iner ve çökelir. Karbon dioksit gazının bir kısmı bitkilerde gerçekleşen fotosentez olayında yer alarak yeryüzündeki tüm canlıların vücutlarına geçer. Böylece her canlı yaşadığı süre içinde çevresinden sürekli 14C alarak belirli bir 14C yoğunluğuna ve radyoaktivitesine sahip olur. Zamanla bir denge ortaya çıkar ve atmosferdeki ve canlılardaki 14C yoğunluğu sabitlenir.


Canlılar öldükten sonra vücutlarına yeni 14C girişi durur ve öldükleri esnada vücutlarında bulunan 14C yoğunluğu ve radyoaktivitesi zamanla azalır. Arkeolojik kazıda ele geçen karbon içeren bir buluntunun günümüzde içerdiği 14C yoğunluğu ya da radyoaktivitesi ölçülerek kaç yıl önce öldüğü bulunur. Her radyoaktif izotopun kendine özgü belirli bir yarılanma süresi vardır. 14C izotopunun yarılanma süresi 5730 yıldır. Arkeolojik kazı yerinde ele geçen ve karbon içeren buluntunun öldüğü andaki 14C radyoaktivitesi Ao olsun. Buluntu öldükten 5730 yıl (bir yarılanma süresi) sonra aktivite Ao/2; 11460 yıl (iki yarılanma süresi) sonra aktivite Ao/4; 17190 yıl (üç yarılanma süresi) sonra aktivite Ao/8 olur. Başka bir deyişle, bir buluntudaki ilk aktivite her 5730 yıllık zaman aralığında aralığın başladığı andaki değerinin yarısına düşerek azalır. Örneğin, günümüzden 28650 yıl (beş yarılanma süresi) önce ölen bir buluntunun günümüzde sahip olduğu aktivite Ao/32, başka bir deyişle yaklaşık 0.03Ao bulunur. Kalıntının öldüğü andan günümüze geçen süreye yaş diyelim ve T ile gösterelim. Kalıntının yaşını veren bağıntı T = 8267 ln(Ao/A) olur. Burada ln doğal logaritmayı gösterir. Bağıntıdaki 8267 sayısı 14C izotopunun yarılanma süresine bağlıdır ve bu sayıya 14C izotopunun ortalama ömrü denir.


Bağıntıda Ao buluntunun öldüğü zaman sahip olduğu 14C yoğunluğunu ya da aktivitesini ve A buluntuda günümüzde (halen) var olan 14C yoğunluğunu ya da aktivitesini gösterir. Görüldüğü gibi bir buluntunun yaşı Ao/A orantısının doğal logaritması ile doğru orantılıdır. Bu orantı ne kadar büyükse buluntunun yaşı da o kadar büyüktür.


Üstteki açıklamadan ve yaş bağıntısından anlaşılacağı üzere, bir buluntudaki 14C radyoaktivitesinin ölçümüne bağlı tarihleme yapmak için buluntuda günümüzde (halen) var olan 14C aktivitesinin ve buluntunun öldüğü zaman sahip olduğu 14C aktivitesinin ölçülmesi gerekir. Gerekli donanıma sahip bir laboratuvarda kazı yerinde ele geçen bir buluntudaki 14C aktivitesi ölçülebilir ve bağıntıdaki A değeri elde edilir. Kalıntının öldüğü zaman sahip olduğu 14C aktivitesinin (Ao) doğrudan ölçülmesi ise olanaksızdır. Ancak altta açıklandığı gibi, bu aktivite dolaylı olarak ölçülebilir.


Uzaydan atmosferin üst tabakalarına gelen kozmik ışınların her yönden eşit miktarda geldiği gözlenir. Bu nedenle 14C izotopunun oluşma hızı ile canlılardaki yoğunluğunun eski zamanlardan günümüze aynı olması beklenir ve böyle olduğu varsayılır. Bu varsayıma göre bir buluntunun öldüğü zaman sahip olduğu 14C aktivitesi Ao günümüzdeki canlılardaki 14C aktivitesine eşittir. Ao aktivitesine sahip maddelere modern denir. Her laboratuvarın Ao aktivitesini bulmak için çevreden
alacağı bir canlıdaki 14C aktivitesini ölçmesi gerekir.


Her laboratuvar Ao aktivitesini kendi seçtiği bir canlı için ölçerse farklı laboratuvarların bulduğu radyokarbon tarihleri karşılaştırılamaz. Bunu önlemenin yolu ise laboratuvarların hepsinin aynı maddeyi kulanarak kendi Ao değerini bulmasıdır. Tüm laboratuvarlar aynı maddeyi kullansın diye ABD’deki Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) özel olarak 1955 yılı ürünü şeker pancarı kullanarak standart oksalik asit I (C2H2O4) adı verilen bir madde hazırlamış ve bu madde tüm radyokarbon laboratuvarlarına dağıtılmıştır. Her laboratuvar kendi koşullarında standart oksalik asit I maddesindeki 14C aktivitesini ölçerek o laboratuvar için yaş bağıntısında kullanılacak Ao değerini belirlemiştir. Laboratuvar sayısındaki artış nedeniyle bir süre sonra standart oksalik asit I maddesi tükenince aynı Enstitü 1997 yılı Fransız ürünü pancar şırası kullanarak standart oksalik asit II maddesini hazırlayarak laboratuvarlara dağıtmıştır. Tüm laboratuvarlar radyokarbon yaşlarını ya doğrudan satandart oksalik aside ya da buna dayandırılan kendi ikincil standart maddelerine göre vermekle yükümlüdür.


Libby 14C izotopunun yarılanma ömrünü 5568 yıl ölçmüş ve yayınladığı tarihleri bu değere göre hesaplamıştır. Sayaçların gelişmesiyle yapılan daha duyarlı ölçümler sonucunda yarılanma ömrünün aslında 5730 yıl olduğu bulunmuştur. Fakat yaş hesabında, Libby gibi yapılarak, halen 5568 yıl kullanılır, bu değere göre hesaplanan yaşa konvansiyonel radyokarbon yaşı denir ve tüm laboratuvarlar bu yaşları yayınlar. Bunun nedeni yayınlanan radyokarbon yaşlarının tümünün aynı yöntemle hesaplanmasını sağlamaktır. Ancak böyle yapılırsa yayınlanan yaşlar karşılaştırılabilir ve kendi içinde tutarlı bir kronoloji oluşturur. Yarılanma ömrü değerlerinin oranı 5730/5568 = 1.03 bulunur. Bu nedenle bir konvansiyonel radyokarbon yaşı 1.03 sayısıyla çarpılırsa, 5730 yıl değerine göre radyokarbon yaşı bulunur.


Konvansiyonel radyokarbon yaşının hesabı için varsayımlar ve izlenecek
kurallar şöyledir:


• Eski zamanlardan günümüze atmosferdeki ve canlılardaki 14C yoğunluğu sabit kalmıştır.


•14C izotopunun yarılanma süresi 5568 yıl, ortalama ömrü 8033 yıldır.


• Modern (madde) olarak standart oksalik asit I, standart oksalik asit II ya da bunlarla bağlantılı ikincil bir standart kullanılmalıdır.


• Tarihlenecek buluntuda 13C/12C orantısı ölçülerek izotop ayrışması için düzeltme yapılmalıdır. (İzotop ayrışması daha sonra açıklanmaktadır.)


• 1950 yılı günümüz olarak alınmalı ve radyokarbon yaşı, yıl olarak, günümüzden önce (GÖ) olarak verilmelidir.


Radyokarbon Sayım Teknikleri


Tarihlenecek bir buluntuda ya 14C izotopunun bozunma hızı ya da 14C izotopunun yoğunluğu ölçülerek ne kadar radyokarbon olduğu bulunur. Bozunma hızının ölçümünde radyoaktif sayaç adı verilen düzenekler kullanılır. Libby 1950 yılında buluntulardan elde ettiği katı haldaki karbonu doğrudan bir radyoaktif sayacın iç yüzeyine sürerek örnekteki 14C bozunma hızını ölçmüştür. Daha sonra geliştirilen ve 1952 yılından başlayarak kullanılan orantılı gaz sayacı denilen düzeneklerde buluntulardan elde edilen karbon dioksit, asetilen ve metan gazları kullanılır. Gaz sayaçlarına göre daha yeni olan ve sıvı sintilasyon sayacı denilen düzeneklerde ise buluntulardan elde edilen sıvı benzen kullanılır.


1977 yılında geliştirilen ve hızlandırıcılı kütle spektrometresi (İngilizce deyiminden gidilerek kısaca AMS olarak bilinir.) adı verilen düzeneklerle buluntulardaki 14C yoğunluğu doğrudan ölçülmeye başlanmıştır. 14C bozunma hızına bağlı radyoaktif sayaç ölçüm tekniğine göre AMS tekniği bazı üstünlüklere sahiptir. Radyoaktif sayaçlarda, sayacına bağlı olarak, gramlar miktarında örnek gerekir. Oysa AMS tekniğinde gereken buluntu miktarı miligram aşamasındadır. Çok az örnek gereksinmesi bir üstünlük olmasına karşılık, yapısı türdeş olmayan bir buluntunun neresinden alındığına bağlı olarak beklenmedik sapmalara da neden olabilir.


Sayaçlarla yapılan ölçümlerde genellikle 48 saat kadar sayım gerekirken, AMS ölçümünde, örneğin yaşına bağlı olarak, sayım süresi 15 dakika ile 2 saat arasındadır. AMS laboratuvarları diğerlerine göre çok daha pahalı olmasına karşılık, günümüzde 26 AMS laboratuvarında tarihleme yapılmaktadır.


Örnek Türleri


Arkeolojik kazılarda ele geçen ve karbon içeren her buluntu radyokarbon yöntemiyle tarihlenebilir. Tarihlenmek üzere toplanan buluntulara örnek adı verilir. Tarihlenecek örnekler olarak ağaç parçaları, odun kömürü, kurumuş bitkiler, tahıl taneleri, dokuma parçaları, deri, hayvan kabukları, kemik, yemek artıkları sayılabilir. Doğal olarak listeyi uzatmak mümkündür.


Sorunlar ve Çözümler


I. İzotop Ayrışması


Doğada karbon elementinin 12C, 13C ve 14C olmak üzere üç izotopu vardır. Fotosentez esnasında 12CO2 nin 14CO2 ye göre öncelik aldığı gözlenir. Bir elementin bir izotopunun diğer izotopuna göre kimyasal tepkimelerde ve katı halden sıvı hale ya da sıvı halden gaz haline geçişlerde öncelik almasına izotop ayrışması adı verilir. Aynı ortamda bulunan ve atmosferden aynı CO2 gazını alarak yetişen farklı iki bitkideki 14C yoğunluğu izotop ayrışması nedeniyle farklıdır. İzotop ayrışması nedeniyle bitkilerin radyokarbon yaşlarında sapmalar olur. Aynı durum 13C izotopu için de geçerli olmakla birlikte, bu izotop radyoaktif olmadığı için bitkilerdeki 3C/12C oranı zamanla değişmeden kalır. Tarihlenecek örneklerde 14C yoğunluğunun yanı sıra bu oran da ölçülerek izotop ayrışmasının neden olduğu sapma düzeltilir.


II. Örnek Kirlenmesi


Örnekle birlikte oluşmayan ve örneğe sonradan karışan her türlü karbon içeren yabancı maddeye örnek kiri ya da sadece kir diyelim. Kir örnekten çok daha yaşlı olabiliceği gibi, örneğe göre çok daha genç de olabilir. Yer altı sularıyla bir buluntuda biriken karbonatlar çok yaşlı kirlere, bitki kökleri ya da toplanmış olan buluntu üzerinde üreyen küf ve mantar ise çok genç kirlere örnek olarak sayılabilir. Örnekler kirlerinden ayıklanmadığı takdirde bulunan yaşları ya olduğundan büyük ya da olduğundan küçük çıkar. Bu nedenle kazı yerlerinde örnek toplayanlar olası kirlenmenin farkına varmalı, olabildiğince temiz örnek toplamalı ve topladıkları örneğin sonradan kirlenmemesi için gerekli önlemleri almalıdır. Laboratuvara gelen örnekler fiziksel ve kimyasal işlemlerden geçirilir ve kirlerinden temizlenir. Fiziksel işlemler genellikle elemek ve ayıklamak biçimindedir. Ayıklamak için gerekirse büyüteç ya da uygun mikroskoplar kullanılır. Kimyasal işlemler ana olarak asitle ve bazla yıkamak biçimindedir. Örnek kirlenmesi kazı yerinin doğal koşullarından ve toplayan kişiden kaynaklanabileceği gibi, sonradan yapılan koruma amaçlı işlemlerden ve paketleme materyallerinden de kaynaklanabilir. Buluntulara sonradan koruma amaçlı sürülen karbon içeren kimyasallar ile bir buluntuyu paketlemek için kullanılan bir bezden örneğe karışan pamuk lifleri örnek kirlenmesine neden olurlar. Toplama, koruma, aboratuvara iletme ve laboratuvar işlemleri sırasında gerekli önlemler alınarak örnek kirlenmesi olabildiğince önlenebilir.


III. 14C Yoğunluğundaki Doğal Değişimler


Radyokarbon yönteminin en temel varsayımına göre eski zamanlardan kalma bir buluntunun öldüğü zaman sahip olduğu 14C aktivitesi Ao günümüzdeki canlılardaki 14C aktivitesine eşittir. Başka bir deyişle, bu varsayıma göre atmosferdeki 14C yoğunluğu eski zamanlardan günümüze değişmemiştir. Temel varsayımı doğrulamak üzere ağaç halkaları sayımı (dendrokronoloji) yöntemiyle gerçek halka yaşları belirlenen yüzlerce örneğin radyokarbon yaşları da bulunarak karşılıştırılmıştır. Gerçek yaş deyimi yerine aynı zamanda takvim yaşı deyimi de kullanılır. Bu karşılaştırmalar temel varsayımın doğru olmadığını, yeryüzündeki 14C yoğunluğunun eski yıllarda önemli miktarlarda değiştiğini, bazı zamanlarda arttığını bazı zamanlarda ise azaldığını göstermiştir.
 
Konuyla ilgili yürütülen kapsamlı araştırmalar sonucunda yeryüzündeki 14C yoğunluğunun yaklaşık son 11 bin yıl içinde nasıl değiştiği ayrıntılı olarak bilinmektedir. Araştırmalarda uzun yıllar zor iklim koşullarından etkilenerek yaşamış ve eski yıllarda devrilen ağaçların halkaları kullanılmıştır. Ağaç halkalarının (konvansiyonel radyokarbon yaşı) – (gerçek halka yaşı) grafiği son 8 bin yıl için kabaca çizilince alttaki grafik bulunmaktadır. Eğer son 8 bin yılda yeryüzündeki 14C yoğunluğu değişmeden aynı kalsaydı, her örnek için (konvansiyonel radyokarbon yaşı) = (gerçek halka yaşı) olacağı için, grafiğin bir köşeden karşı köşeye kesikli gösterilen düz doğru gibi olması gerekirdi. Oysa elde edilen grafik koyu renkli eğri biçimindedir.


 
Üstteki grafik ayrıntılı olarak incelendiğinde 14C yoğunluğunda uzun süreli bir değişime ek olarak çok sayıda orta ve kısa süreli değişimlerin olduğu gözlenir. Doğal olarak bu değişimlerin atmosferde 14C oluşma hızını ve atmosferle okyanuslar arasındaki karbon alışveriş hızını etkiyen etmenlere bağlı olması beklenir. Oluşma hızı kozmik ışınlara bağlı olup, atmosferin üst tabakalarına gelen kozmik ışınları ise yerin ve Güneş’in manyetik alanları etkiler. Bu nedenle gözlenen değişimlerin bazılarının yerin ve Güneş’in manyetik alanlarındaki artma ve azalmalara bağlı olması gerekir. Atmosferle okyanuslar arasındaki karbondioksit gazı alışveriş hızı ise ortamın sıcaklığına bağlıdır. Geçmişteki, buzul çağı gibi, önemli iklim değişimlerinin alışveriş hızını etkilemiş olması doğaldır. Araştırmacılar gözlenen değişimleri ve bunların nedenlerini yıllarca tartışmışlar ve sonunda bu değişimlerin bazılarının doğal nedenlere bazılarının da insanlardan kaynaklanan nedenlere bağlı olduklarına karar vermişlerdir. Söz konusu değişimler incelendiğinde bunlar şöyle gruplanır:


1. Uzun Süreli Değişim: Bu değişimin periyodu yaklaşık 9 bin yıl olup sinüs eğrisine benzer. Değişimin nedeni yerkürenin manyetik alanındaki değişimdir. Yerin manyetik alanı kuvvet uygulayarak kozmik ışınların hareketlerini etkiler, ve bir tür kalkan görevi yaparak bazı kozmik ışınların atmosfere girmesine engel olur. Manyetik alandaki değişimlere bağlı olarak bazı zamanlar atmosferin üst tabakalarındaki 14C oluşma hızı artar, bazı zamanlar ise azalır.


2. Orta Süreli Değişimler: Radyokarbon yaşı hesabında birkaç yüz yıllık sapmalara neden olan ve süresi 500 yıldan az olan 14C yoğunluk değişimlerine orta süreli değişimler denir. Bu değişimlere, keşfeden bilim insanının adından gidilerek de Vries etkisi adı verilir. Orta süreli değişimler Güneş’in etkinlik düzeyinin atmosferdeki 14C oluşma hızını etkilemesine bağlıdır. Bilindiği gibi Güneş’in çok etkin olduğu zamanlarda oluşan ve manyetik fırtına denilen olaylar yerküreyi de içine alacak boyutlara çıkar ve bu durum atmosfere uzaydan gelen kozmik ışın miktarını etkiler.


3. Kısa Süreli Değişimler: Atmosferdeki 14C yoğunluğunda yaklaşık binde üç oranında gözlenen kısa süreli değişimlerin nedeni Güneş lekelerinin 11 yıl arayla artıp azalmasına bağlıdır. Bilindiği gibi lekelerin artması Güneş patlamalarının artması demektir ve bu patlamalar yeryüzüne ulaşan manyetik fırtınaların doğmasına neden olur.


4. İnsanların Yarattığı Değişimler: 1890 yılında başlayan endüstri devrimi ile birlikte artarak fosil yakıtlar denilen kömür ve petrol tüketimi başlamış ve atmosfere çok büyük miktarlarda radyoaktif olmayan karbon dioksit gazı (CO2) girmiştir. Bunun sonucunda 1950 yılına gelindiğinde atmosferdeki 14C yoğunluğu kabaca %2 kadar azılmıştır. Olayı farkeden ve ayrıntılı olarak araştıran bilim insanının adıyla bu olaya Suess etkisi denir. Insanların yarattığı diğer bir etki ise atmosferde yapılan atom ve hidrojen bombası deneyleridir. Atmosferde patlatılan bombaların etkisiyle oluşan tepkimeler sonucunda önemli miktarlarda yeni 14C oluşarak atmosfere dağılmış ve 14C yoğunluğu artmıştır. Bu olaya bomba etkisi adı verilir.


midena pro tou telous makarize