הכימאי שהמציא
את השעון

בספטמבר 1991 טיילו בני זוג מגרמניה, אריקה והלמוט סימון, בעמק אֶצטאל שבצפון איטליה, סמוך לגבול אוסטריה. הם סטו מהשביל המסומן, כשלפתע הבחינו בגופת אדם בשלולית של מי קרח. תחילה חשבו שזו גופה של מטפס הרים שנהרג לפני כמה שנים, אבל חוקרי המשטרה הבינו עד מהרה שמדובר בגופה הרבה יותר עתיקה, למעשה מומיה שנחנטה בקרח. גילו של אֶצִי, שנקרא על שם העמק שבו נמצא, מוערך כיום בקצת יותר מ-5,000 שנים. כלומר, יוליוס קיסר חי בתקופה הרבה יותר קרובה אלינו מאשר לאֶצִי. היכולת לקבוע ברמת דיוק של כמאה שנים לכאן או לכאן את גילו של אדם שחי לפני כל כך הרבה שנים, שינתה את פני הארכיאולוגיה, חקר המאובנים ותחומים מדעיים נוספים. השינוי הזה הושג בזכות עבודתו של חוקר אמריקאי פורץ דרך.

תושבי רומא העתיקה קרובים יותר אלינו מאשר אליו. איור של הבגדים והחפצים של אצי איש השלג, שמת בצפון איטליה לפני יותר מ-5,000 שנה | מקור: GREGOIRE CIRADE / SCIENCE PHOTO LIBRARY

רגישות ונחישות

וילארד פרנק ליבי (Libby) נולד בקולורדו ב-1908 למשפחת חקלאים, ובהמשך עברה משפחתו לקליפורניה, שם המשיכו הוריו להתפרנס מגידול פירות. הוא החל ללמוד הנדסה באוניברסיטת ברקלי, אך נשבה בקסמו של תחום הרדיואקטיביות המתפתח, עבר ללימודי כימיה, ובגיל 25 כבר קיבל תואר דוקטור. עבודת הדוקטורט שלו עסקה בחקר הרדיואקטיביות של יסודות כימיים "רגילים", כלומר כאלה שאינם מוכרים כרדיואקטיביים במיוחד, והוא עסק גם בפיתוח שיטות לזיהוי קרינה חלשה מאוד. לאחר הדוקטורט נשאר ליבי באוניברסיטת ברקלי כחוקר והמשיך לפתח שיטות רגישות  למדידת קרינה.

במלחמה העולם השנייה הצטרף לתוכנית מנהטן לפיתוח הפצצה הגרעינית, ועבד על פיתוח שיטות להעשרת אורניום בקבוצת מחקר שפעלה באוניברסיטת קולומביה בניו יורק. אחרי המלחמה קיבל משרת פרופסור במכון למחקרי גרעין של אוניברסיטת שיקגו, והמשיך לחקור רדיואקטיביות ולפתח מכשירים לזיהוי מקורות קרינה חלשים במיוחד.

מחקרים שחוללו מהפכה. ליבי (יושב) עם תלמיד המחקר שלו, ארנסט אנדרסון (Anderson). מימין: אחד ממוני הקרינה לזיהוי פחמן רדיואקטיבי שפיתח ליבי באוניברסיטת שיקגו | צילומים: ארכיון אוניברסיטת שיקגו, מקור: האגודה האמריקאית לכימיה ACS

שעון רדיואקטיבי

הגרעין של יסוד כימי מורכב מפרוטונים ונייטרונים. לשני החלקיקים יש מסה דומה, אבל לפרוטון יש מטען חשמלי חיובי, והנייטרון, כפי ששמו מרמז, הוא חסר מטען. מספר הפרוטונים בגרעין הוא שקובע איזה יסוד יש לנו: אטום שיש לו בגרעין פרוטון אחד הוא מימן, שני פרוטונים – הליום, וכן הלאה. זה גם המספר האטומי שאנו מוצאים בטבלה המחזורית: לאטום פחמן יש מספר אטומי שש, כלומר ששה פרוטונים בגרעין, המספר האטומי של חנקן הוא שבע ושל החמצן – שמונה.

מספר הנייטרונים בגרעין קרוב בדרך כלל למספר הפרוטונים, אבל לרוב האטומים יש בטבע כמה "גרסאות", עם מספר שונה של נייטרונים. למשל, ל-99.99 אחוז מאטומי המימן בטבע אין כלל נייטרונים בגרעין, רק פרוטון אחד. בערך ל-0.01 אחוז, כלומר לאחד מכל 10,000 אטומי מימן, יש נייטרון אחד בגרעין, ולשיעור מזערי הרבה יותר יש אפילו שני נייטרונים. כל אחת מהצורות האלה, כלומר אטומים של אותו יסוד אבל עם מספר שונה של נייטרונים בגרעין, נקראים איזוטופים. לפחמן, למשל, יש שלושה איזוטופים נפוצים. 98.9 מאטומי הפחמן הטבע הם פחמן 12 – כלומר בגרעין שלהם יש ששה פרוטונים וששה נייטרונים. עוד כאחוז הם פחמן 13 – ששה פרוטונים ושבעה נייטרונים, ובערך אחד מכל טריליון אטומי פחמן הוא פחמן 14 – שבגרעינו יש ששה פרוטונים ושמונה נייטרונים. מבחינה כימית אין הבדל בין איזוטופים של יסוד מסוים: פחמן 12, פחמן 13 ופחמן 14 מגיבים אותו הדבר עם חמצן ליצירת פחמן דו-חמצני, ומשתלבים באותה צורה במולקולות ביולוגיות כמו סוכרים, חלבונים או DNA. אבל הם נבדלים פיזיקלית במסה שלהם, וגם ברדיואקטיביות – כלומר בקצב ההתפרקות שלהם.

חומרים רדיואקטיביים מתפרקים באופן ספונטני, בלי השפעה חיצונית – וככל שחומר רדיואקטיבי יותר, הוא מתפרק מהר יותר. פיזיקאים מודדים רדיואקטיביות ב"זמן מחצית חיים", כלומר כמה זמן יעבור עד שמחצית החומר שבידינו תתפרק. אם למשל ניקח גרם של פרנציום, אחד היסודות הרדיואקטיביים בטבע, או ליתר דיוק גרם של האיזוטופ פרנציום 221, אחרי פחות מחמש דקות יישאר לנו רק חצי גרם. אחרי עוד חמש דקות – רבע גרם, וכן הלאה. תוך פחות מיממה לא יישאר לנו כלום כמעט. אם נשווה זאת לפחמן 12 או 13, נגלה שאותם נוכל להחזיק גם שנים רבות בלי שום שינוי משמעותי בכמות החומר, כי אלה איזוטופים יציבים מאוד. פחמן 14, לעומתם, רדיואקטיבי, אבל זמן מחצית החיים שלו הוא כ-5,700 שנה. כלומר, אם מלך שומר בתקופת "עלילות גלגמש" היה מניח בקופסה גרם של פחמן 14, ארכיאולוג בן ימינו היה מוצא בקופסה הזו רק חצי גרם פחמן, ארכיאולוגים במאה ה-78 ימצאו בה רבע גרם וכן הלאה. זמן מחצית החיים הזה יכול לשמש שעון ביולוגי טוב לתהליכים בני עשרות אלפי שנים: אם למשל היינו יודעים שאכן היה גרם אחד בדיוק בקופסה שאוחסנה אי פעם, היינו יכולים לחשב בקלות כמה זמן עבר מאז, לפי כמות החומר המדויקת שנשארה בה. הבעיה היא שגם אם יש לנו דגימה של פחמן 14, אנו לא יכולים לדעת מה הייתה הכמות ההתחלתית שלו, ולכוון את השעון הרדיואקטיבי שלנו.

האיזוטופים הטבעיים של פחמן. אלה אטומים זהים מבחינה כימית, שנבדלים רק במספר הנייטרונים בגרעין ולכן בתכונות פיזיקליות כמו מסה וקצב ההתפרקות הגרעינית | איור: zizou7, Shutterstock. תרגום: ליאת פלי

תיארוך פחמן

ב-1940 הפיזיקאים האמריקאים מרטין קאמן (Kamen) וסם רובן (Ruben) ייצרו בפעם הראשונה את האיזוטופ פחמן 14 במאיץ חלקיקים. כמה חודשים לאחר מכן הציע חוקר אמריקאי אחר, סרג' קורף (Korff), תיאוריה שלפיה  פחמן 14 נוצר באופן מחזורי באטמוספרה, בזכות קרינה שמגיעה מהחלל. הקרינה הקוסמית הזו, או רוח השמש, כוללת גם שטף של נייטרונים. האטמוספרה שלנו מורכבת ברובה מגז חנקן, וכשנייטרון חופשי פוגע בגרעין של אטום חנקן רגיל, שבגרעין שלו יש שבעה פרוטונים ושבעה נייטרונים, הוא עלול לגרום לפליטה של פרוטון אחד. עכשיו יש לנו אטום חנקן עם שמונה נייטרונים וששה פרוטונים, אלא שלאטום חנקן לא יכולים להיות ששה פרוטונים, והמשמעות היא שהוא הפך לאטום פחמן. ליתר דיוק – לאיזוטופ של פחמן בעל שמונה נייטרונים, כלומר פחמן 14.

התגובה הגרעינית הזו לא מתרחשת בתדירות גבוהה. הסיכוי שנייטרון יצליח לפגוע בדיוק בגרעין של אטום חנקן, בדיוק במהירות הדרושה, הוא אפסי למדי. אבל כשבכל גרם של אוויר יש טריליונים על טריליונים של אטומי חנקן, גם למספרים האפסיים יש משמעות, ופחמן 14 נוצר באטמוספרה כל הזמן.

ליבי, שהתעניין באפשרות של שימוש בשעונים רדיואקטיביים כאלה לתיארוך ממצאים היסטוריים, ובעיקר באפשרות להשתמש לשם כך במדידות הקרינה הרגישות שלו, קרא על התגליות האלה במהלך מלחמת העולם השנייה. הוא התחיל לבחון אותן לעומק כשקיבל את המעבדה בשיקגו אחרי המלחמה. כבר ב-1946 הוא פרסם מאמר מהפכני שמציע להשתמש בפחמן 14 לתארוך חומרים ביולוגיים, שמכילים פחמן. 

לפי התיאוריה שלו, ריכוז הפחמן 14 באטמוספרה נשאר פחות או יותר קבוע כל הזמן. אטומים של פחמן 14 מגיבים עם חמצן ליצירת פחמן דו-חמצני (CO₂). הפחמן הדו חמצני מהאוויר נקלט אצל צמחים, אצות וחיידקים מסוימים בתהליך הפוטוסינתזה. בתהליך הזה הוא מתפרק, ואטומי הפחמן מגיעים לסוכרים ומשם למולקולות ביולוגיות אחרות, כמו סוכרים, שומנים, חלבונים ו-DNA, בשלל תהליכים ביוכימיים שמתרחשים בגופם של אורגניזמים אלו, וגם בגופם של מי שניזונים מהם. יצורים חיים גם פולטים פחמן בלי הרף, בתהליך הנשימה ובהפרשות גופם. כל עוד בעל חיים חי, נושם ואוכל, הוא מחליף באופן קבוע פחמן עם הסביבה, כך שריכוז הפחמן 14 בגופו נשאר קבוע, בשיעור דומה לפחמן 14 באוויר. אבל כשאורגניזם מת, הוא מפסיק להחליף פחמן עם הסביבה, ואז השעון הרדיואקטיבי מתחיל לתקתק. אם ניקח דגימה ביולוגית ישנה: עץ, עור, עצם, זרע של פרי או סל נצרים, למשל, ונמצא ששיעור הפחמן 14 הוא רק מחצית משיעורו באוויר, נוכל לדעת שהדגימה היא בערך בת 5,700 שנה.

מחזור של פחמן 14: הוא נוצר באטמוספרה בעזרת נייטרונים מהחלל, נקלט בצמחים בפוטוסינתזה, מגיע להם לבעלי חיים, ונשאר גם בשרידיהם עד שהוא מתפרק בהדרגה | איור: MIKKEL JUUL JENSEN / SCIENCE PHOTO LIBRARY

נתלה באילנות גבוהים

התיאוריה של ליבי התבססה על כמה הנחות שאינן מובנות מאליהן. הראשונה הייתה ששיעור הפחמן 14 באוויר נשאר פחות או יותר קבוע במשך עשרות אלפי או מאות אלפי שנים. אם לדוגמה הקרינה הקוסמית לפני 20 אלף שנה הייתה חזקה הרבה יותר או חלשה הרבה יותר מאשר כיום, המדידה של השעון הרדיולוגי תוסט באלפי שנים, ותראה שהדגימות צעירות בהרבה או קדומות בהרבה מהגיל האמיתי שלהן. 

ההנחה השנייה הייתה שהפחמן הרדיואקטיבי אכן מתנהג בדיוק כמו הפחמן הרגיל, ומשתלב באופן זהה במולקולות אורגניות. אם ההנחה הזו שגויה, ופחמן 14 נמצא ברקמות הרבה פחות מפחמן 12 או 13 – או הרבה יותר – שוב, התיארוך לפי הריכוז שלו יניב תוצאה שונה מאוד מהגיל האמיתי של הדגימה.

אבל ב-1946 הכל עדיין היה תיאורטי: אפילו קיומו של פחמן 14 באטמוספרה עדיין לא הוכח. ליבי יצא להוכיח אותו. הוא פיתח עם תלמידיו מונה קרינה רגיש מספיק, והזמין ממפעל כימי גז מתאן (CH₄) שהפחמן בו הוא פחמן 14 כדי לכייל את המכשיר. הם בחנו גז מתאן משני מקורות: האחד היה ביוב עירוני, שם הגז מגיע ממקור ביולוגי, פירוק של חומר אורגני; האחר – גז טבעי. גם הוא נוצר ממקור ביולוגי, אבל בתהליכים שנמשכים מיליוני שנים, כך שהפחמן 14 שאולי היה בו כבר התפרק מזמן. הם אכן מצאו כי הגז הטבעי לא הכיל פחמן 14, בעוד המתאן הצעיר הכל פחמן 14 בדיוק בשיעור שחזה ליבי לפי התחזיות של קורף – בערך אחד מכל 12 טריליון אטומי פחמן הוא פחמן 14.

הריכוז הזה אמנם נמוך מאוד, אבל מתברר שהוא מספיק כדי שיהיה די פחמן 14 בדגימות ביולוגיות. לפיכך, בשלב הבא חישבו ליבי ותלמידיו את גילן של דגימות עצים לפי ריכוז הפחמן 14, והשוו את הממצאים לגיל שחושב בשיטות אחרות. הם עשו זאת עם דגימות מעצי סקויה, שגילם חושב לפי מספר הטבעות בגזע, ועם דגימות  מקברי פרעונים שקיבלו ממוזיאונים. בכל המקרים טעות החישוב שלהם לא הייתה יותר מעשרה אחוז, והיא השתפרה ככל שהם המשיכו לשפר את המכשור ואת שיטות העבודה שלהם.

שתיים מהדגימות ששימשו את ליבי ועמיתיו בכיול התארוך בעזרת פחמן 14, משום שגילן נקבע גם בשיטות אחרות: חתך מגזע של עץ סקויה מהרי סיירה נבאדה בקליפורניה (למעלה) ומדגימת עץ שנמצאה במערה של ילידים באריזונה | מתוך  Pearson et al, Cambridge University Press

הברקה בזכות המיומנות

ב-1955 סיכם ליבי את עקרונות השיטה ואת הממצאים הראשונים בספר מקיף על תארוך בעזרת פחמן רדיואקטיבי, שהפך לספר היסוד של השיטה החדשה. הפיתוח שלו חלל מהפכה בארכיאולוגיה. בפעם הראשונה היה אפשר לתארך בקלות ממצאים שמכילים חומר ביולוגי: לא רק שרידי אדם, אלא גם עורות ועצמות בעלי חיים, פסלונים וכלים מעץ, כלי עצם, סלים, זרעים, ואפילו שרידי מזון קדומים. החיסרון העיקרי של השיטה הוא האפשרות לתארך רק ממצאים שגילם לא עולה על 50 או 60 אלף שנים: בממצאים קדומים יותר כבר לא נשאר מספיק פחמן 14 כדי לזהותו גם בבדיקות רגישות. טווח הזמנים הזה כפול ממה ששיער ליבי במאמריו, והוא מתרחב ככל שהמכשור משתפר, רגישותו עולה ואפשר לזהות באמצעותו כמויות קטנות יותר ויותר של פחמן 14.

בתוך טווח הזמנים הזה יש שפע של ממצאים, והתארוך שלהם שופך אור חדש על מחקרים ומנפץ מוסכמות. תיארוך פחמן איפשר לארכיאולוגים ולאנתרופולוגים לעקוב אחר נתיבי ההתפשטות של תרבויות קדומות, ולנתץ את הדעה שרווחה עד אז, שרוב התרבויות התפשטו מאירופה. הפיתוח גם סייע לתחומים כמו מדעי כדור הארץ, משום שבעזרת דגימות עץ שהשתמרו בקרח יכלו החוקרים לקבוע שתקופת הקרח האחרונה באמריקה הסתיימה רק לפני 12-10 אלף שנים, ולא כ-25 אלף שנים כפי שחשבו קודם. הארכיאולוג פרדריק ג'ונסון (Johnson) כינה את השיטה "פצצת האטום של הארכיאולוגיה", והאנתרופולוג ארווין טיילור (Taylor), שעבר עם ליבי בשנות ה-60, כתב לימים כי "תארוך פחמן 14 הפך את הפרה-היסטוריה העולמית לאפשרית, משום שתרם ציר זמן שחוצה גבולות מקומיים, אזוריים ויבשתיים".

ב-1960 הוענק לליבי פרס נובל בכימיה על פיתוח שיטת התארוך באמצעות פחמן 14. ראש ועדת הפרס בכימיה, ארנה וסטגרן (Westgren) אמר בהענקת הפרס "פרופסור ליבי, הרעיון שהיה לך לפני 13 שנים לנסות לקבוע את גילם של חומרים ביולוגיים באמצעות מדידת הפעילות של פחמן 14 היה הברקה. בזכות המיומנות הניסויית הגבוהה שלך, שנרכשה בשנים שהוקדשו לחקר חומרים בעלי רדיואקטיביות חלשה, הצלחת בפיתוח שיטה שהפכה חיונית בתחומים רבים ובמוסדות מחקר רבים ברחבי העולם". 

פצצת אטום בתחום הארכיאולוגיה. חוקרים בספרייה הלאומית של איטליה בנפולי מתארכים פפירוסים שהתגלו בחפירות ארכיאולוגיות בהרקולנום באמצעות מדידת הריכוז של פחמן 14 | צילום: PASQUALE SORRENTINO / SCIENCE PHOTO LIBRARY

למען הסביבה

ב-1954 עזב ליבי את אוניברסיטת שיקגו ומונה לנציב הוועדה האמריקאית לאנרגיה גרעינית. עוד קודם לכן הוא היה בין המדענים היחידים שתמכו בעמדתו של אדוארד טלר (Teller), שסבר כי ארצות הברית צריכה לפעול במהירות לפתח פצצת מימן. רק אחרי כמה שנים, כשחקר בעצמו כמויות של חומרים רדיואקטיביים באטמוספרה, הבין את נזקי הניסויים בפצצות האלה, חזר בו מעמדתו ותמך בהטלת הגבלות על ניסויים גרעיניים. בתפקידו בוועדה סייע לנשיא דווייט אייזנהאואר לקדם פרויקטים של שימוש אזרחי באנרגיה גרעינית, בראשם ייצור חשמל.

ב-1959 עזב את הוועדה ומונה לפרופסור לכימיה באוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס (UCLA), שם המשיך לעבוד עד פרישתו לגמלאות ב-1976. בין השאר פיתח ליבי תוכנית ללימודי סביבה, והיה בין הראשונים להכניס את הנושא למחקר אקדמי ולתוכניות לימוד באוניברסיטה. גם חלק ממחקריו עסקו בנושאים סביבתיים, כמו שיטות למדידת זיהום אוויר. בנוסף הקים את המכון לגיאופיזיקה באוניברסיטה, שעסק גם במחקר פלנטרי ובחקר חלל. הוא חקר הרכב של מטאוריטים, ולפני פרישתו לגמלאות עוד הספיק למדוד תכונות של דגימות מאדמת הירח, שהביאו אסטרונאוטים של תוכנית אפולו.

גם לאחר פרישתו המשיך ליבי לעסוק במחקר, והיה מעורב רבות בחיי האוניברסיטה. פעילותו נקטעה כשמת במפתיע מקריש דם בריאה ב-8 בספטמבר 1980, כשלושה חודשים לפני יום הולדתו ה-72.

ליבי נישא ללאונור היקי (Hickey) ב-1940, וב-1945 נולדו בנותיהם התאומות. ב-1966 התגרש מאשתו הראשונה ונשא את לאונה וודס מרשל (Woods Marshall), פיזיקאית גרעין שהכיר עוד בימי תוכנית מנהטן, והייתה גם היא חברת סגל ב-UCLA. לאחר מותו אלמנתו ערכה והוציאה לאור עבודות מדעיות שלא הספיק לפרסם בחייו.

נוסף על פרס נובל זכה ליבי בפרסים ובאותות כבוד רבים. ב-1955 הופיע דיוקנו על שער השבועון "טיים", שבו התפרסמה כתבה נרחבת על עבודתו בכותרת "אבן החכמים". ב-1960 צוין בין אנשי השנה הבולטים שבחר כתב העת, בעקבות זכייתו בפרס נובל שלו הוא היה "ראוי ביותר", כפי שכתב השבועון.

"לעיתים נדירות לתגלית יחידה בכימיה יש השפעה כה רחבה על החשיבה בתחומי עניין רבים כל כך של האנושות", ציטט וסטגרן מתוך הנימוקים של אחד המדענים שהציע את מועמדותו של ליבי לפרס נובל. "לעיתים רחוקות תגלית יחידה מעוררת עניין ציבורי כה רב".