Investigation of Istanbul`s Neolithic Age animal findings by neutron activation analysis

Abstract

Nötron Aktivasyon Analizi, ister bilimsel ister teknik açıdan olsun, neredeyse akla gelebilecek her alandaki örneklerde farklı miktarlardaki elementlerin (çok, az ve eser), hem nicel hem de nitel analizlerinde uygulanılabilen hassas analitik bir tekniktir. Örnek içinde bulunan kimyasal elementlerin nükleer aktivasyon yöntemi ile radyoaktif hale getirilmesi prensibine dayanan bir kimyasal analiz yöntemidir. Bu yöntemde elementler nötronlarla çarpıştırılarak radyoaktif hale getirildikten sonra, uygun bir radyasyon algılama sistemi ile ölçülürler. Bombardımanda nötronlar kullanıldığında yöntem nötron aktivasyon analizi (NAA) olarak adlandırılmaktadır. Nötron bombardımanında, birim alandan birim zamanda geçen nötron sayısının çok fazla olduğu reaktörler, bilinen en yaygın nötron kaynaklarıdır.Analizi yapılacak malzemeye belirli bir süre düzgün ve kararlı bir nötron akısı uygulandığında, nötronlar kinetik enerjisinin bir kısmını çekirdeğe ileterek saçılırlar veya tüm enerjisini çekirdeğe ileterek çekirdek içinde yutulurlar. Bu durumdaki çekirdekler fotonlar veya yüklü parçacıklar yayımlayarak kararlı hale geri dönerler. Malzemenin içerdiği elementlerin kararlı izotoplardan nötron yutanlar, yeni ve genellikle uyarılmış bir izotopa dönüşürler. Bu durumdaki çekirdekler 10-12 saniye civarında çeşitli enerjilerde karakteristik gama fotonları salarak kararlı duruma geçerler ki, bu gama ışınları ölçülmez, ya da kararlı izotop oluşabilir. Bu durumda da gama radyasyonu ve ölçme söz konusu değildir, ya da oluşan izotop, algılanabilir bir yarı ömürle bozumunu yaparak yeni bir elemente dönüşürken -ışını verir. Bu ışınlar karakteristik enerji değerine sahip olup, o izotopun kimliğini belirler. Bu -ışınlarının enerjileri saptanarak, onları doğuran elementlerin varlığı nitelik olarak ya da şiddetleri ölçülerek, nicelikleri belirlenebilir.Bu yöntemin uygulanmasında nüklitin tesir kesiti, nötron akısı, nötron kaynağı, radyonüklit oluşumu ve bozunumu, sayım teknikleri, kimyasal ayırma gereksinimi, sistematik hatalar ve örnekleme gibi konular detaylı olarak değerlendirilmelidir. Nötron aktivasyon analizinin uygulanabilmesi için ilgilenilen elementin nükleer reaksiyonlar gerçekleştiğinde yeterli miktarda radyoaktif izotop verebilmesi gereklidir. Bu nedenle nükleer reaksiyonun gerçekleşme olasılığı (tesir kesiti), hedef nüklitin izotopik bolluğu ve oluşan radyoizotopun yarı ömrünün yayımlanan radyoaktivitenin ölçümüne yetecek kadar uzun olması gerekmektedir. Özellikle matriste veya diğer safsızlıklarda meydana gelebilecek radyasyon nedeniyle oluşabilecek girişimlerin anlaşılabilmesi ve giderilebilmesi için meydana gelen radyasyonun tipi ve enerjisi de bilinmelidir.Bu yöntemin bazı avantajları hassas, hızlı, ekonomik, kolay ve güvenilir bir yöntem olmasıdır. Ayrıca genellikle, ışınlanan malzemede herhangi bir tahribat meydana gelmez ve malzemede kimyasal değişim olmaz. Bir diğer özelliği de pek çok elementin nötronlarla nükleer reaksiyona girmesinden dolayı aynı örnekte aynı anda birden fazla elementin nitel ve nicel analizi yapılabilir. Birçok element ve uygulama için NAA, diğer metotlarla elde edilemeyecek, milyarda bir veya daha yüksek hassaslık gösterir. Ek olarak, doğruluğu ve güvenilirliğinden dolayı NAA, yeni prosedürler geliştirilirken veya diğer metotlar bir öncekiyle uyuşmayan sonuçlar verdiğinde, genelde referans metot olarak da kullanılır. Başlangıçta yarı iletkenler gibi yüksek saflıktaki malzemelerde, eser miktarda safsızlıkların tayininde kullanılan NAA, günümüzde biyolojik bilimler (kan, doku, saç vb.), jeokimya, kriminoloji, arkeoloji, çevre ile ilgili araştırmalar, endüstriyel uygulamalar gibi çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Dünya çapında NAA araştırmaları o kadar yaygındır ki, her yıl yaklaşık 100,000 örneğin analize alındığı tahmin edilmektedir.2004 yılında Marmaray tüp geçit projesi inşaatı sırasında, İstanbul Arkeoloji Müzeleri ve İstanbul Üniversitesi Sualtı Kültür Kalıntılarını Koruma Anabilim Dalı tarafından başlatılan Yenikapı kazılarında, on binlerce eser ve Neolitik çağa ait kalıntı gün yüzüne çıkmıştır. Geç Osmanlı döneminden başlayarak, erken Osmanlı, Bizans, Roma, klasik ve arkeik dönem arkeoloji katmanlarının her evresinden buluntularla birlikte İstanbul'un 8,500 yıllk süre içinde geçirdiği kültürel, sanatsal ve jeolojik değişim, deniz ticareti, gemi teknolojisi, kent arkeolojisi, arkeo-botanik, sanat tarihi, filoloji ve dendrokronoloji konularında önemli belgelere ulaşılmıştır. Alanın sağladığı geniş tarih aralığı ve zengin geçmişi dolayısıyla çıkarılan örneklerde analiz yapılarak önemli sonuçlara varılabilir.Bu çalışmada, nükleer bir analiz yöntemi olan NAA yöntemi kullanılarak, deniz canlısı örneklerindeki elementlerin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda kullanılan örnekler, İstanbul Arkeoloji Müzeleri Müdürlüğü'nün izniyle Yenikapı Marmaray ve metro kazıları esnasında çıkarılan Neolitik Çağ Dönemine ait olduğu belirlenmiş ve etütlük olarak tanımlanan deniz canlısı buluntularıdır. Seçilen örnekler, kazı alanında çeşitli derinliklerden toplanmış olan, Gastropod (Eklembacaklı), Mytilus galloprovincialis (Kara midye), Acanthocardia spinosa, Ostrea edulis (İstiridye), balık omurgası ve kablumbağa kabuğundan oluşmaktadır.Element miktarlarının belirlenmesi için Viyana Teknik Üniversitesi, ''Atominstitut'' bünyesinde bulunan TRIGA Mark II nükleer araştırma reaktöründe, Nötron Aktivasyon Analizi yöntemi kullanılmıştır. Bu amaçla buluntular önce çeşitli işlemlerden geçirilerek dış kirliliklerden arındırılmıştır. Buluntular daha sonra öğütülüp, belirlenen miktarlarda tartılıp, kuarz ışınlama tüplerine yerleştirilip, kapatılıp reaktörde 30-40 saat sürelerde ışınlanmaya maruz bırakılmışlardır. Işınlanan örneklerle birlikte çeşitli sertifikalı standart malzemeler de paketlenmiştir. Uygulanan çeşitli soğuma ve ölçüm sürelerine göre Na, K, Sc, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, As, Rb, Sr, Zr, Sb, Cs, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Th ve U elementlerine dair veriler elde edilmiştir.Örneklerdeki element dağılımı, canlı için hayati, hayati olmayan ve periyodik tabloda lantanit ve aktinitler olarak sınıflandırılan eser elementler olmak üzere üç grupta incelenmiştir. Birinci grupta incelenen 7 elementin (Na, K, Fe, Co, Cr, Ni ve Zn) incelenen tüm türler için ortalama konsantrasyonu 0,243-11,33 mg/kg; ikinci on elementin (Sc, As, Rb, Sr, Zr, Sb, Cs, Ba, Hf ve Ta), 0,016-3,142 mg/kg; geriye kalan on elementin (La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu, Th, ve U) ise 0,078-5,523 mg/kg olarak bulunmuştur.Çinko ve uranyum konsantrasyonları, balık omurgaları ve kablumbağa kabuğunun kimyasal yapısıyla doğru orantılı olarak diğer örneklerden yüksek çıkmıştır. Aynı zamanda kemiklerde eser elementlerin birikim davranışları gözlemlenebilmiştir.Bu çalışma ile Neolitik Çağa ait deniz canlısı örneklerinde NAA ile element konsantrasyonlarının belirlenmesinin, kendi aralarında ve modern literatur ile karşılaştırılarak yorumlanmasının, Istanbul'un binlerce yıl önceki deniz canlılarının özelliklerine ışık tutabileceği ve merak edilen sorulara cevap bulabileceği düşünülmektedir.

In the study, the shells of Gastropods, Mytilus galloprovincialis, Acanthocardia spinosa, Ostrea edulis, several fish vertebras as well as a tortoise shell were analyzed by Neutron Activation Analysis. Results were compared to those from the literature to contribute some subjects such as Istanbul's oldest animals lived in Neolithic age by evaluation of the results. Findings were collected from various depths on Marmaray Site from Marmaray-Metro Project Archaeological Excavations at Yenikapı, Istanbul. Neutron Activation Analysis technique was applied by irradiation of samples at the TRIGA Mark II Research Reactor of the Atominstitut of Vienna Technical University. In this frame concentrations of Na, K, Sc, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, As, Rb, Sr, Zr, Sb, Cs, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Th and U elements were determined.The distribution of the elements in the shells was categorized into three groups. Of these, first 7 elements (Na, K, Fe, Co, Cr, Ni, and Zn) were grouped together because of their contribution to living organisms. Their average concentrations changes from 0,243 to 11,33 mg/kg. Second ten elements (Sc, As, Rb, Sr, Zr, Sb, Cs, Ba, Hf, and Ta) are not essential to living organisms, nevertheless may provide additional information regarding e.g. pollution of the sea with further discussion. Their concentrations are between 0,016 and 3,142 mg/kg. The remaining ten elements consists from Lanthanides and Actinides (La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu, Th and U) which often called `Rare Earth Elements (REE's)` are the most commonly investigated elements with NAA. Their average concentration varies between 0,078 and 5,523 mg/kg throughout species. The main contribution of Zn and U comes from fish bones and tortoise shell in accordance with the differences in chemical composition between shells and bones of marine animals.The characteristics of the 27 elements were studied separately in samples. It is known that, in mollusk taxonomy, the elements have unique values. In other words, element concentrations in various mollusk shells depend mainly on the taxonomic characteristics of mollusks. In different bionomic environments, various element distributions of the same species are attributed to the different geochemical characters of the each environment. Considering that the organisms are the most active and deterministic factors of the environment, data obtained in this study will serve as a database for future research.