Định tuổi bằng cacbon-14

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm

Định tuổi bằng đồng vị cacbon, còn gọi là Định niên đại bằng cacbon phóng xạ hoặc định tuổi bằng cacbon-14, là một phương pháp để xác định tuổi của một đối tượng chứa các chất hữu cơ, bằng cách sử dụng các thuộc tính đặc hữu của đồng vị carbon phóng xạ 14C trong hoạt động của sinh giới.[1] Nó là một thành viên của nhóm các phương pháp Định tuổi bằng đồng vị phóng xạ.

Phương pháp này được Willard Libby phát minh vào cuối những năm 1940 và sớm trở thành một công cụ tiêu chuẩn cho các nhà khảo cổ[2]. Willard Libby nhận giải Nobel Hóa học cho phát minh của ông vào năm 1960.

Phương pháp cho kết quả tin cậy trong dải niên đại từ 300 đến 60.000 năm, và được ứng dụng xác định tuổi mẫu vật trong khảo cổ học, cổ thực vật dân tộc học (Paleoethnobotany), nghiên cứu Kỷ Đệ tứ[3] và nghiên cứu băng hà.[1]

Cơ sở phương pháp[sửa | sửa mã nguồn]

Phương pháp Định tuổi bằng đồng vị cacbon dựa trên một hiện tượng thực tế, là sự tương tác của neutron 1n trong bức xạ vũ trụ với nitơ 14N trong khí quyển liên tục tạo ra đồng vị 14C và proton 1p,[2] theo biểu thức:

Nguyên tử 14C này ở trạng thái kích thích, sẽ kết hợp ngay với oxy trong không khí để tạo thành carbon dioxide CO2.

Trong khi 12C và 13C là đồng vị bền, thì 14C là không bền, và theo thời gian thì phân rã β- xảy ra, cho ra nitơ 14N, electron e- (với năng lượng 0,158 MeV) và phản neutrino electron νe (electron antineutrino), với chu kỳ bán rã là 5.730 ±40 năm, theo biểu thức:

Quá trình liên tục và kéo dài dẫn đến trạng thái cân bằng, tức là trong khí quyển thì đồng vị carbon phóng xạ 14C có tỷ lệ xác định trong tổng lượng carbon.

Carbon được thực vật quang hợp và tạo ra chất hữu cơ. Khi đó trong thực vật thì tỷ lệ các đồng vị carbon gần giống như trong môi trường ở vùng đó. Các động vật thì ăn các thực vật. Khi động vật hoặc thực vật chết đi, nó ngừng trao đổi carbon với môi trường. Từ lúc đó 14C trải qua sự phân rã phóng xạ dẫn đến số lượng của nó giảm dần theo thời gian.

Đo tỷ lệ đồng vị 14C với 12C trong một mẫu từ một động vật hoặc thực vật đã chết, như mảnh gỗ hoặc một mảnh xương giúp cung cấp thông tin có thể được sử dụng để tính toán thời điểm động vật hoặc thực vật đó chết. Kết quả càng chính xác nếu xác định và loại trừ được "các yếu tố ảnh hưởng".[4]chu kỳ bán rã của 14C là 5.730 năm, nên giá trị tuổi lớn nhất có thể xác định tuổi bằng phương pháp này là khoảng 50.000 năm trước, mặc dù với phương pháp chuẩn bị đặc biệt thì đôi khi có thể đo được các mẫu có tuổi lâu năm hơn.

Các yếu tố ảnh hưởng[sửa | sửa mã nguồn]

Ý tưởng đằng sau việc xác định niên đại bằng carbon phóng xạ là đơn giản, nhưng cần nhiều năm để phát triển công nghệ đạt đến điểm khi các số liệu niên đại chính xác có thể chấp nhận được.

Nghiên cứu xác định tỷ lệ 14C/12C trong khí quyển được Hessel de Vries lần đầu thực hiện từ năm 1958, và được kế tục liên tục.[5] Kết quả cho thấy hơn năm mươi ngàn năm qua có sự thăng giáng của bức xạ và tương ứng là lượng 14C được tạo ra. Các kết quả và dữ liệu này, dưới hình thức của một đường cong hiệu chuẩn, hiện được sử dụng để chuyển đổi một phép đo 14C trong mẫu sang một con số ước tính của tuổi lịch của mẫu.

Mặt khác, quá trình quang hợp có sự khác nhau trong việc hấp thu các đồng vị carbon khác nhau, tùy theo loài thực vật, vùng địa lý, và môi trường của chúng (đất liền, nước, biển,...).[6] Điều này được nêu là sự phân đoạn đồng vị (Isotopic fractionation) với các dạng thực vật C3, thực vật C4 hay thực vật CAM. Các phép đo phải thực hiện các hiệu chỉnh để tính mức độ thay đổi 14C này trong sinh giới.

Ngày nay các tình tiết phức tạp bổ sung nảy sinh từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch như than đá và dầu, và các vụ thử vũ khí hạt nhân trên mặt đất được thực hiện trong những năm 1950 và 1960. Nhiên liệu hóa thạch gần như không chứa 14C, và kết quả là một sự giảm sút đáng kể tỷ lệ 14C trong khí quyển bắt đầu từ cuối thế kỷ 19. Ngược lại, thử nghiệm vũ khí hạt nhân tăng số lượng 14C trong không khí, đến một mức tối đa đã đạt được vào năm 1963, gần như gấp đôi mức trước khi thử nghiệm bắt đầu.[7]

Thực hiện[sửa | sửa mã nguồn]

Cách đo carbon phóng xạ ban đầu được thực hiện bằng các thiết bị đếm beta, đếm số lượng bức xạ beta được phát ra bởi các nguyên tử 14C phân rã trong một mẫu. Các mẫu được tách lọc carbon, chuyển đổi sang carbon rắn cho các thiết bị đầu tiên, nhưng người ta đã nhanh chóng phát hiện ra rằng chuyển chúng sang thể khí hoặc thể lỏng đã cho kết quả chính xác hơn.[8]

Lược đồ Accelerator Mass Spectrometer khi phân tích đồng vị carbon

Ngày nay phương pháp phổ khối gia tốc (accelerator mass spectrometry) đã trở thành phương pháp chủ đạo, có tính ưu việt và chính xác cao hơn. Nguyên lý đo phổ khối được nêu trong Phương pháp khối phổ, tuy nhiên điểm khác là ở thiết bị "phổ khối đồng vị" thì mẫu vật được phá vỡ thành plasma với các ion nguyên tử trong buồng chân không và được gia tốc bằng hệ thống trường từ và điện được chỉnh phù hợp với nguyên tố cần phân tích, nhắm đến phân biệt các nguyên tử theo khối lượng hạt nhân (đồng vị). Khi phân tích đồng vị carbon, nó xác định trực tiếp tỷ lệ các đồng vị 14C, 13C và 12C có trong mẫu, mà không chỉ là đếm vài nguyên tử tình cờ phân rã ra tia phóng xạ của 14C trong khi đo. Nó có thể làm việc với lượng mẫu nhỏ hơn nhiều (như chỉ vài hạt giống cây trồng), và cho kết quả nhanh chóng hơn nhiều.[9]

Niên đại thường được tính thành năm "trước hiện nay", hay BP (Before Present), trong đó tham chiếu đến một trị cơ sở là năm 1950 AD. Tức là nếu kết quả là 500 BP thì có nghĩa là "mẫu vật ngừng trao đổi carbon" vào năm 1450 AD. Niên đại này cũng thường được gọi là "tuổi tuyệt đối", tức là nó tính với độ dài ngày thiên văn hiện đại, trong khi trước đây trái đất quay nhanh hơn nên ngày thiên văn lúc đó ngắn hơn. Tuy nhiên trong dải 50.000 năm qua thì chênh lệch độ dài ngày rất nhỏ, định tuổi bằng cacbon-14 không phải quan tâm.

Một yếu tố chính dẫn đến kết quả định tuổi có thể sai lệch, là lượng CO2 tan trong nước và thấm vào vùng mẫu vật trong những thời kỳ nào đó. Rất khó xác định được điều này xảy ra như thế nào trong quá khứ. Nó dẫn đến kết quả định tuổi bằng cacbon-14 thường có thể trẻ hơn (muộn hơn) tuổi thật.[a]

Tác động khoa học[sửa | sửa mã nguồn]

Sự phát triển của phương pháp xác định niên đại carbon phóng xạ đã có một tác động sâu sắc đến khảo cổ học. Ngoài việc cho phép đo niên đại chính xác hơn cho các di chỉ khảo cổ so với phương pháp trước đó, nó cho phép so sánh các ngày của sự kiện trên khoảng cách rất xa. Lịch sử khảo cổ học thường đề cập đến tác động của nó là "cách mạng carbon phóng xạ".

Phương pháp này cũng được sử dụng cho định tuổi các đồ vật có nhiều người quan tâm như khăn liệm Torino, được tuyên bố cho thấy một hình ảnh của cơ thể của Đức Giêsu Kitô. Một mẫu lanh từ tấm vải liệm đã được thử nghiệm vào năm 1988 và cho thấy có niên đại từ thế kỷ 13 hoặc 14, tức là có sự nghi ngờ về tính xác thực của tấm vải liệm.

Chỉ dẫn[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Vì thế thường có sự khác nhau trong kết quả định tuổi bằng cacbon-14 và của phương pháp định tuổi bằng nhiệt quang (Optically Stimulated Luminescence dating).

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ a ă Taylor R. E., Bar-Yosef O. (2014). Radiocarbon Dating: An Archaeological Perspective. pp. 265-270.
  2. ^ a ă Libby W.F.(1946). Atmospheric helium three and radiocarbon from cosmic radiation. Physics Review 69 (11–12), p. 671–672.
  3. ^ Walker, Mike (2005). Quaternary Dating Methods (PDF). Chichester: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-86927-7. 
  4. ^ Aitken, M.J. (1990). Science-based Dating in Archaeology. London: Longman. ISBN 0-582-49309-9. 
  5. ^ De Vries Hl., Variation in concentration of radiocarbon with time and location on earth. Proc. Koninkl. Nederl. Akad. Wetenschappen, 1958, B61, p.1–9
  6. ^ Stuiver M., Braziunas T.F. (1993). Modelling atmospheric 14C influences and 14C ages of marine samples to 10,000 BC. Radiocarbon 35(1), p. 137–189.
  7. ^ Cronin, Thomas M. (2010). Paleoclimates: Understanding Climate Change Past and Present. New York: Columbia University Press. ISBN 978-0-231-14494-0. 
  8. ^ Theodórsson, Páll (1996). Measurement of Weak Radioactivity. Singapore: World Scientific Publishing. ISBN 9810223153. 
  9. ^ Tuniz, C.; Zoppi, U.; Barbetti, M. (2004). “Radionuclide dating in archaeology by accelerator mass spectrometry”. Trong Martini, M.; Milazzo, M.; Piacentini, M. Physics Methods in Archaeometry. Amsterdam: IOS Press. tr. 385–405. ISBN 978-1-58603-424-5. 

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]