RADYOKARBON TARİHLEME

S. Vedat Karaarslan

İnsanların en çok ilgi duyduğu şeylerin başında, eski zamanlarda yaşayan ataları tarafından bırakılan eserlerin günümüzden kaç yıl öncesine ait olduğunu bulmak gelir. Eski eserlerin tarihlerini belirlemede kullanılmak üzere bilim adamları tarafından çeşitli bilimsel ölçüm teknikleri geliştirilmiştir. Günümüzde, bu ölçüm teknikleri gelişmelerini sürdürmekte, tarihlemeler eskisine göre çok daha duyarlı bir biçimde yapılabilmektedir.

Bu yazıda, yapısında organik madde içeren tarihi buluntuların tarihlemesinde çok yaygın olarak kullanılan ve radyokarbon tarihlemesi denilen yöntemden, yöntemin ayrıntılarına girmeden söz edilecektir. Radyokarbon tarihleme yöntemi 1950 yılında W. F. Libby tarafından bulunmuştur. Bu buluşundan dolayı Libby 1960 yılında Nobel Kimya Ödülü ile ödüllendirilmiştir. Bu yöntemle son 50.000 yıla ait organik madde içeren buluntuları tarihlemek mümkündür. Bilim adamları 1977 yılında hızlandırıcılı kütle spektrometresi (AMS) adı verilen bir düzenek kullannarak radyokarbon yöntemine yeni bir boyut kazandırmışlardır. Günümüzde AMS düzenekleriyle çok az organik madde içeren ve 50.000 yıldan daha eski zamanlara ait tarihi buluntuların tarihlemesi kısa süreli ölçümler ile yapılabilmektedir.Bugün yaklaşık 40 ülkede 100 den fazla radyokarbon tarihleme laboratuvarı ve 20 den fazla AMS düzeneği kullanan laboratuvar vardır. Ülkemizde ilk radyokarbon laboratuvarı 1968 yılında Orta Doğu Teknik Üniversitesi’nde kurulmuş, bunu daha sonraki yıllarda Hacettepe Üniversitesi’nde kurulan bir laboratuvar izlemiştir.

Bilimsel tarihleme yöntemleri, maddelerde zamanla değişen ve ölçülebilen özelliklerden yaralanır. Kabaca benzetilirse, bu yöntemler bir insanın yaşının, başındaki aklaşan saç sayısıyla ölçülmeine benzer. Bilindiği gibi gözlemlerimiz bir insanın, önce bir iki saç telinden başlayarak, saçların yaşıyla orantılı olarak ağardığının gösterir. Bu gözlemden gidilerek, bir insanın yaşı ağaran saç teli sayısıyle orantılı varsayılabilir. Çevremizde saçları oldukça ağarmış genç insanların ya da saçları oldukça kara kalmış yaşlı insanların olması, yaş belirlemede bu yöntemin bizleri kolayca yanlış sonuçlara götürebileceğini ve bu yönteme çok güzvenmemek gerektiğini gösterir.

Tarihleme yöntemlerinden bazıları, maddelerin radyoaktivite olarak bilinen özelliklerinden yararlanır. Bilindiği gibi, çevremizde bulunan tüm varlıklar elementlerden meydana gelmiştir ve yeryüzünde yaklaşık olarak 100 kadar element vardır. Her element kendine özgü bir atom yapısına sahiptir. Elemntlerin atomları proton, nötron ve elektron adı verilen üç temel parçacıktan oluşur. Bir elementin atomunda buluınan proton sayısına atom numarası denir ve Z simgesiyle gösterilir. Aynı atom numarasına sahip iki ayrı element olamaz. Bir elementin tüm atomlarında aynı sayıda proton bulunur. Bir elementin atomunda bulunan protonların ve nötronların toplam sayısına kütle numarası denir ve A simgesi ile gösterilir.

Tüm elementlerin atom numaraları aynı, fakat kütle numaraları farklı atomları vardır. Aynı elementin farklı kütle numarasına sahip atomlarına izotop adı verilir. Elementlerin büyük bir kısmının izotopları kararlı bir atom yapısına sahiptir ve atom yapılarını zaman içinde korurlar. Fakat bazı elementlerin izotoplarının bir kısmının atom çekirdekleri karasız olur ve durduğu yerde kendiliğinden bir parçacık fırlatarak ya da elektromanyetik ışıma yaparak değişikliğe uğrar. Elementlerin bu özelliğine radyoaktivite, bir atom çekirdeğinin karasızlığı nedeniyle kendiliğinden değişime uğramasına radyoaktif bozunma denir. Radyoaktif bozunmalarda ili tür parçacık fırlatıldığı gözlenir. Bu parçacıkların birine alfa diğerine beta parçacığı adı verilir. Alfa parçacığı helyum elemnti atomunun çekirdeği ile aynı olup, 2 proton ve 2 nötrondan oluşur. Beta parçacığı ise elektron ile aynıdır. Radyoaktif bozunma ile çekirdekten çıkan eletromanyetik ışımaya gama ışını adı verilir.

Belirli bir anda, elimizde bir radyoaktif izotopdan 1000 tane atom olduğunu varsayalım. Bu atomlardan hangisinin ne zaman bozunmaya uğrayacağını bilmek olanaksızdır. Gözlemler, belirli bir süre sonra 1000 atomdan 500 tanesinin bozunarak değiştiğini ve elimizde 500 tane atomun bozunmadan kaldığını gösterir. Geçen bu süreye radyoaktif izotopun  yarılanma süresi ya da yarı ömrü denir. Eğer bir yarılanma süresi daha geçerse, elimizde kalan 500 atomun yarısının daha bozunduğu ve 250 tane atomun bozunmadan kaldığı gözlenir. Üç yarılanma süresi sonunda elimizde bozunmadan kalan atom sayısı 125 dir. Bozunma olayı, elmizdeki radyoaktif atomalrın tümü bozununcaya kadar sürüp gider. Yarılanma süresi, özkütle gibi, izotopların kendine özgü bir özellikleri olup, aynı yarılanma süresine sahip iki ayrı izotop bulunmaz. Radyoaktif bir iztopun atomlarının bozunmadan kaldıkları belirli bir ortalama süre vardır. Bu süreye radyoaktif izotopun ortalama süresi ya da ortalama ömrü denir. Ortalama süre izotopun yarılanma süresine bağlıdır. Ölçümler ortalama sürenin yarılanma süresinin yaklaşık 1,44 katına eşit olduğunu gösterir.

Karbon (C simgesiyle gösterilir) elementi doğada çok yaygın olarak bulunur. Bu element organik maddelerin temel taşlarından biridir. Karbon elementinin doğada en çok bulunan izotopunun atom numarası Z=6, kütle numarası A=12 dir.Karbonun bu izotopunu C-12 yazarak gösterelim. Karbon elementinin doğada kütle numarası A=13 ve A=14 olmak üzere iki izotopu daha vardır. Bu izotoplar da, sırasıyla, C-13 ve C-14 ile gösterilsin. Karbon elementinin yeryüzünde dağılımı incelendiğinde, toplam karbon miktarının yaklaşık %99 unun C-12 ve  %1 inin C-13 izotoplarından oluştuğu, C-14 yüzdesinin ise çok küçük olduğu görülür. C-12 ve C-13 izotoplarının kararlı yapıda atomlara sahip olmalarına karşılık, C-14 izotopu atomları karasızdır. Radyoaktif olan C-14 izotopunun yarılanma süresi 5730 yıl, ortalama süresi 8250 yıldır. C-14 izotopu yaygın olarak radyokarbon olarak ya da karbon–14 olarak adlandırılır.       

Şekil 1 Atmosferin üst tabakalarında kozmik ışınlar tarafından yaratılan nötronlar azot gazı atomlarına çarparak C:14 atomlarını oluşturur. Oluşan C-14 atomları oksitlenerek karbondioksit gazına dönüşür ve atmosferin her tarafına araçlarda ve fabrikalarda yakılan yakıtlardan çıkan karbondioksitle birlikte hızla dağılır. C-14 atomları atmosferden canlılara, okyanuslara ve toprağa geçer.

Radyokarbon izotopu uzaydan gelen kozmik ışınların atmosferin en üst tabakalarında yarattığı nötronların azot elementi ( Z=7; A=14) atomlarıyla atmosferin üst tabakalarında etkileşmesi sonucu meydana gelir (Şekil 1). Meydana gelen radyokarbon atomları oksitlenerek karbondioksit gazına dönüşür ve yarılanma süresine göre çok kısa bir sürede atmoserin her yanına dağılır. Özümleme yoluyla bitkilere, bitkilerden toprağa; beslenme yoluyla hayvanlara ve insanlara geçer. Karbondioksit gazının çok büyük bir kısmı okyanus sularında çözünür ve kalsiyum karbonat olarak deniz kabuklularına geçtikten sonra bu kabukluların çökelmesi sonucu tortul kayaların yapısına girer. Karbondioksit gazının bir kısmı ise toprakta bulunan suda eriyerek kireş taşlarının oluşumunda yer alır.

Atmosferin üst tabakalarında balonlarla yapılan ölçümler sonucu, yılda toplam olarak yaklaşık 7,5 kilogram C-14 meydana geldiği bulunmuştur. Radyokarbon izotopu oluşur oluşmaz 5730 yıl olan yarılanma süresine göre bozunmaya başlar. Başka bir deyişle C-14 izotopu bir yandan oluşurken diğer yandan bozunma yoluyla yok olur. Oluşum hızı ile bozunma hızı eşitlenince birden denge oluşur ve bu andan sonra toplam C-14 miktarı sabit kalır. Oluşum hızının bozunma hızına eşit olması için ortalama süre 8250 yılın geçmesi gerekir. Her yıl 7,5 kilogram C-14 meydana geldiğine göre, 8250 yıl sonra oluşan denge miktarı 8250x7,5 = 61875 kilogram olur. Buna göre, şu anda yeryüzünde toplam olarak 61875 kilogram (yaklaşık 62 ton) C-14 izotopu vardır ve C-14 atomları atmosfere, bitkilere, diğer canlılara, toprağa, okyanuslara ve yer altı sularına dağılmış durumdadır.

Kendimiz dahil olmak üzere, tüm canlıların vücudunda bulunan organik maddelerde radyokarbon izotopu vardır. Atmosferden sürekli olarak C-14 alarak bozunan atomların yerine yenilerini koyduğumuz sürece vücudumuzdaki C-14 yoğunluğu atmosferdeki C-14 yoğunluğu ile eşit olur. Bu yoğunluk, atmosferin üst tabakalarındaki C-14 oluşma hızı ile okyanuslar, canlılar evreni ve toprak arasındaki C-14 alışveriş hızı sabit olduğu sürece sabit kalır. Bir canlı öldüğü anda atmosferden vücuduna C-14 girişi kesilir. O anda canlının vücudunda bulunan C-14 atomları bozunmaya başlar ve her 5730 yılda yarılanarak sayıları azalır. Görüldüğü gibi, içinde organik karbon bulunan eski zamanlardan kalmış ölü bir canlının C-14 yoğunluğu ölçülerek ne zaman öldüğü belirlenebilir. C-14 izotopu yardımıyla bir buluntunun öldüğü zamanı belirlemeye radyokarbon yöntemiyle tarihleme adı verilir.

Yeryüzünde bulunan C-12 miktarı yaklaşık olarak  42 X 10 (exp 15)  kilogramdır. Eğer C-14 izotopunun C-12 iztotopuna sayısal oranı bulunursa

elde edilir. Bu orana göre atmosferde ve canlılar evreninde yaşayan bir bireyin vücudunda her  2 x 10 (exp 12) tane C-12 atomuna karşılık sadece 3 tane C-14 atomu vardır. Yaşamakta olan bir canlıda 1 gram karbon aldığımızı varsayalım. Bu 1 gram karbon içinde yaklaşık olarak 5 x 10 (exp 22) tane karbon atomu vardır yukarıda elede edilen orana göre, yaşayan ve vücudundaki C-14 yoğunluğu atmosferdeki C-14 yoğunluğuna eşit olan canlıdan elde edilen 1 gram karbonda yaklaşık olarak  7 x 10 (exp 10)  tane C-14,  5 x 10 (exp 22)  tane C-12 atomu bulunur. Ortalama olarak 8250 yılda 4, 34 x 10 (exp 9) 1 tane C-14 atomu bozunacağI için, 1 gram karbondaki C-14 bozunması dakikada yaklaşık 16 atomun bozunmasına eşittir. Bu hesaba göre, günümüzden 5730 yıl önce (M.Ö 3736 yılı) ölmüş olan bir canlıdan (A diyelim) kalan 1 gram karbondaki C-14 bozunma hızı 8 bozunma/dakika, günümüzden 11460 yıl (2x5730 yıl;  M.Ö 9466 yılı) önce ölmüş olan bir canlıdan (B diyelim) kalan 1 gram karbondaki C-14 bozunma hızı 4 bozunma/dakika olur (Şekil 2).

Şekil 2 Canlılarda bulunan C-14 yoğunluğu yaşadıkları süre içinde atmosferdeki C-14 yoğunluğuna eşit olur. Bu yoğunluk nedeniyle günümüzde yaşayan bir canlıdan elde edilen 1 gram karbondaki C-14 bozunma hızı bugün ölçülürse yaklaşık 16 bozunma/dakika bulunur.Günümüzden 5730 yıl önce (M.Ö 3736 yılında) ölen bir canlının (A) elde edilen 1 gram karbondaki C-14 bozunma hızı günümüzde ölçülürse yaklaşık 8 bozunma/dakika elde edilir. M.Ö 9436 yılında ölen bir canlının ise (B) 4 bozunma/dakika olarak ölçülür.

Görüldüğü gibi, organik madde içeren eski zamanlara ait bir kalıntıdan elde edilen 1 gram karbonda bulunan C-14 atomlarının günümüzdeki bozunma hızı ya da C-14 atomlarının yoğunluğu doğrudan ölçülerek kalıntının günümüzden kaç yıl öncesine ait olduğu bulunabilir. Bunun için buluntunun günümüzdeki sahip olduğu C-14 yoğunluğunun da bilinmesi gerekir. Atmosferde ve yaşayan canlılarda günümüzde ölçülen C-14 yoğunluğunun eski zamanlarda da aynı olduğu ve hiç değişmediği varsayılarak, tarihlenecek buluntunun hayatta olduğu zaman sahip olduğu C-14 yoğunluğu günümüzdeki C-14 yoğunluğuna eşit alınır.

Radyokarbon tarihlemesine temel oluşturan üstteki varsayımın doğru olmadığı, geçmişte çeşitli nedenlerle atmosferdeki ve canlılar evrenindeki C-14 yoğunluğunun bazı zamanlarda önemli miktarlarda arttığı, bazı zamanlarda ise azaldığı bulunmuştur. Bilim adamları yaklaşık son 10.000 yılda atmosferdeki C-14 yoğunluğundaki değişimleri ölçerek bunların tarihlemelerde meydana getirdiği sapmaları belirlemişlerdir. Geçmişte C-14 yoğunluğunda meydana gelen değişimler ve bunların terihleme üzerinde ne tür etkiler yarattığı incelenirken, geçmişteki iklim değişimleri; buzul çağları; yerin manyetik alanındaki değişimler; Güneş lekelerinin atmosfere gelen kozmik ışın akısına etkileri; atmosferde yapılan nükleer silah denemelerinin yarattığı etkiler; her geçen gün insanların yakarak daha çok tükettiği kömür, petrol ve linyit gibi yakıtlardan çıkan karbon dioksitin atmosfere etkisi gibi çok ilginç konulara girmek gerekmiştir. Başka bir deyişle, salt bir tarihleme yöntemi olarak başlayan radyokarbon çalışmaları, bilim adamlarına çok daha farklı konularda bilgi edinme olanağı da sağlamıştır ve halen de sağlamaya devam etmektedir.  

ARKEOTEKNO   

 KAYNAKÇA

1)   Orta Doğu Teknik Üniversitesi Arkeometri Bölümü.

 2)   Arkeometri ve Aksay Ünitelerinin Bilimsel Toplantı Bildirileri.

 3)   W.F Libby, 1965, Radiocarbon Dating, Phoenix Edition, University of Chicago Press.

 4)   W.G. Mook ve H.T. Waterbolk, 1985, Handbooks for Archaeologists, No. 3 Radiocarbon Dating, European Science Foundation (ESF). 

 5)    Alıntı:  www.belgeler.com