วันนี้เราคุยกันถึงคลิปวิดีโอ Cosmos Ep. 7: The Clean Room ที่เด็กๆไปดูกันที่บ้านในสัปดาห์ที่แล้ว เกี่ยวกับการประมาณอายุโลกเท่ากับประมาณสี่พันห้าร้อยล้านปีด้วยเทคนิกดูการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสี
ครึ่งชีวิต (หรือ half-life) คือเวลาที่สารกัมมันตภาพรังสีเปลี่ยนไปเป็นสารอื่นๆครึ่งหนึ่ง ยกตัวอย่างแบบง่ายสุดก็เช่นถ้าสาร A เปลี่ยนร่างกลายเป็นสาร B ที่อยู่คงตัวไม่เปลี่ยนแปลงด้วยครึ่งชีวิตเท่ากับ 1 วัน และเราเริ่มต้นด้วยสาร A 1,000 กรัม และสาร B 0 กรัม เมื่อผ่านไปหนึ่งวัน สาร A จะลดไปครึ่งหนึ่งเหลือ 500 กรัม และกลายเป็นสาร B ไปประมาณ 500 กรัม เมื่อผ่านไปสองวันสาร A ก็จะลดลงไปอีกครึ่งจากที่เหลือ กลายเป็น 250 กรัม และสาร B กลายเป็นประมาณ 750 กรัม เมื่อผ่านไป 3 วัน สาร A ก็จะลดลงอีกครึ่งหนึ่งของที่เหลือ กลายเป็น 125 กรัม ผ่านไปสี่วันเหลือ 62.5 กรัม ผ่านไปห้าวันเหลือ 31.25 กรัม ดังนี้ไปเรื่อยๆ
ในกรณีสาร A และ B ข้างต้น ถ้าเรารู้สัดส่วนระหว่าง A และ B และรู้ค่าครึ่งชีวิต เราก็สามารถคำนวณได้ว่าเวลาผ่านไปนานเท่าไรจึงจะเห็นอัตราส่วนที่เราพบ เช่นถ้าเราพบว่าในตัวอย่างเรามีสาร B ประมาณ 750 กรัมและสาร A ประมาณ 250 กรัม เราก็คำนวณได้ว่าเวลาต้องผ่านไป 2 วันจากตอนเริ่มต้นที่ตอนแรกมีแต่สาร A อย่างเดียว
เทคนิกประมาณเวลาโดยดูการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีนี้เรียกว่า Radiometric dating ถ้าสนใจลองเข้าไปอ่านกันครับ (อาจต้องรอเป็นมัธยมปลายก่อนถึงจะเข้าใจคณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้อง)
Clair Patterson ดูกรณีสาร A คือยูเรเนียม-238/ยูเรเนียม-235 และสาร B คือตะกั่ว-206/ตะกั่ว-207 ที่มีครี่งชีวิตเท่ากับ 4.47 พันล้านปี/710 ล้านปีโดยตรวจหาสาร A และ B ในอุกกาบาตที่เป็นซากเหลืออยู่ในระบบสุริยะ ไม่ได้รวมตัวเป็นดาวเคราะห์ พบว่าอายุโลกเท่ากับประมาณ 4.5 พันล้านปีครับ
ถ้าสนใจลองดูประวัติเบื้องต้นของอายุโลกได้ที่นี่ครับ มีการประมาณด้วยความรู้ต่างๆเท่าที่มีในยุคต่างๆ เช่นประมาณจากคัมภีร์, จากการสูญเสียความร้อนของลูกโลกร้อน, จากการยุบตัวของก๊าซกลายเป็นดวงอาทิตย์, จากการโคจรของดวงจันทร์ทำให้โลกหมุนช้าลง, จากขบวนการทำให้น้ำทะเลเค็ม, จนมาถึงวิธีปัจจุบันซึ่งน่าจะถูกต้องที่สุดโดยการวัดการสลายตัวของธาตุกัมมันภาพรังสี
งานของ Patterson ทำให้เขาพบด้วยว่ามีตะกั่วปนเปื้อนมากมายแถวๆผิวโลก พบว่าตะกั่วเหล่านี้มาจากน้ำมันเชื้อเพลิงที่เติม Tetraethyllead เพื่อเพิมสมรรถนะเครื่องยนต์ ในที่สุดตอนนี้น้ำมันรถก็ไม่ใส่สารเคมีที่มีตะกั่วเป็นส่วนประกอบแล้วหลังจากใช้มาหลายสิบปี
ต่อไปคือลิงก์ที่น่าสนใจต่างๆที่พาดพิงระหว่างการเรียนครับ เด็กๆแวะเข้าไปดูกันนะครับ บางอันสั้น บางอันยาว อันไหนยาวไปก็อ่านส่วน Intro ไปก่อนก็ได้ครับ:
How Did Scientists Calculate the Age of Earth?
ใช้ Carbon-14 และ Uranium-238 วัดเวลาที่ผ่านไป อธิบายโดย Professor Dave:
ทำไมตะกั่วถึงถูกใส่เข้าไปในน้ำมันเชื้อเพลิง หรืออ่านจากลิงก์นี้ก็ได้ครับ:
ทำไมถึงใช้ตะกั่วในน้ำมันเชื้อเพลิงอยู่หลายสิบปี และลิงก์เกี่ยวกับอาชญากรรมและตะกั่ว
การทำงานของเครื่องยนต์:
เจาะนำ้แข็งเพื่อดูสภาพแวดล้อมในอดีต
ถ้าสนใจตัวอย่างว่าธาตุต่างๆถูกใช้อย่างไร ไปที่เว็บ PeriodicTable.com แล้วกดดูธาตุแต่ละตัว