Cách xác định tuổi cổ vật bằng carbon phóng xạ
Có rất nhiều cách xác định tuổi cổ vật như phương pháp định tuổi theo vết phân hạch, phương pháp Rehydroxylation, phương pháp định tuổi 14C ( hay còn gọi là Cacbon 14 )
Có rất nhiều cách xác định tuổi cổ vật như phương pháp định tuổi theo vết phân hạch, phương pháp Rehydroxylation, phương pháp định tuổi 14C ( hay còn gọi là Cacbon 14 ), phương pháp Kali-Argon, Uranium (phức tạp nhất nhưng chính xác nhất)… Trong đó chúng ta thường nghe nói đến việc xác định niên đại cổ vật bằng carbon phóng xạ. Vậy, cụ thể phương pháp định tuổi này được tiến hành như thế nào?
Đếm số Carbon 14 còn lại là có thể tính được tuổi của cổ vật
Giải thưởng Nobel Hóa học năm 1960 thuộc về Willard F.Libby (1908-1980) (ảnh) cho công trình nghiên cứu chất phóng xạ Carbon 14, dùng để định tuổi tron g khảo cổ, địa chất, địa vật lý học… Công trình nghiên cứu này bắt đầu từ 1950 khi Willard F.Libby làm việc tại Đại học Chicago, chính thức được công nhận năm 1955 và đến 1960 thì nó mang lại cho ông giải thưởng Nobel danh giá.
Carbon (C) 14 là chất đồng vị của Carbon 12. Hóa tính tương tự nhau, tuy nhiên C14 là chất phóng xạ vì vậy nó bị mất dần khối lượng theo thời gian, trong khi C12 vẫn bền vững. Trong quá trình sống, thực vật hấp thụ CO2, nghĩa là đưa cả C12 và C14 vào cơ thể mà nguồn gốc của C14 chính là N14 chuyển hóa dưới ảnh hưởng của các tia vũ trụ. Động vật sử dụng thực vật làm thức ăn cho nên trong cơ thể có C14. Con người dùng cả động và thực vật làm thức ăn, mặc nhiên trong cơ thể cũng có C14. Nghiên cứu của Willard F.Libby cho thấy tỷ lệ C14 và C12 trong cơ thể sống là không đổi.
Khi sinh vật chết đi, nguồn C12 và C14 không còn được cung cấp nữa, lượng C14 trong cơ thể sẽ giảm do nó là chất không bền. C14 có chu kỳ bán phân hủy là 5.730 năm, có nghĩa là cứ sau 5.730 năm thì C14 chỉ còn một nửa. Như vậy, suy từ tỷ lệ của C12 và C14 trong vật khảo cổ chúng ta sẽ tính ra được tuổi của nó. Có thể minh họa cách khác, ban đầu vật có 100.000 nguyên tử C14 thì sau khi chết 5.730 năm chỉ còn lại 50.000 nguyên tử, thêm 5.730 năm nữa số nguyên tử C14 sẽ là 25.000… Chính vì vậy chỉ cần đếm số C14 còn lại là có thể tính ra được tuổi của cổ vật. Tuy nhiên, với một hóa thạch có niên đại hơn 50.000 năm thì lượng C14 còn lại khá nhỏ không thể cho con số chính xác. Với những hóa thạch trên 50.000 năm người ta phải dùng đến kỹ thuật đo phổ kế khối (spectrométrie de masse).
14C được thành tạo trong khí quyển theo các phản ứng hạt nhân chủ yếu do tác động của neutron với các đồng vị bền N, O và C. Quan trọng nhất là phản ứng: 1n + 14N ® 14C + 1H; ở đây 1n- neutron, 1H- protron. Carbon phóng xạ chuyển thành các phân tử 14CO2 hoặc 14CO, chúng nhanh chóng hoà trộn với không khí và nước. Các phân tử 14CO2 đi vào các tế bào của động vật hoặc quang hợp trong thực vật.
Trong suốt đời sống của sinh vật xảy ra sự trao đổi thường xuyên 14CO2 giữa các tế bào và không khí. Hoạt tính của 14C trong các tế bào sống trong suốt đời sống của chúng là một đại lượng ổn định và phụ thuộc vào hoạt tính của 14C trong khí quyển. Khi các sinh vật chết đi, sự hất thụ 14C từ khí quyển bị ngừng lại và do phân rã phóng xạ nên hoạt tính của 14C bắt đầu bị giảm. Nếu biết được hoạt tính 14C trong tế bào sống, thì theo hoạt tính của 14C trong tế bào sinh vật chết có thể tính được thời gian xảy ra từ lúc ngừng hoạt động sống. Khoảng thời gian đó chính là tuổi carbon của mẫu.
Hoạt tính phóng xạ của mẫu carbon được lấy từ tế bào thực vật hoặc động vật, mà hoạt động sống của chúng bị ngừng t năm trước đây được xác định bằng phương trình:
A = A0e-lt (5.46)
ở đây A- hoạt tính 14C đo được, chính là số phân rã trong 1 phút trong 1g carbon, A0- hoạt tính riêng của 14C trong mẫu tế bào sống của sinh vật này. Giá trị của A0 = 13,56 ± 0,07 phr/g.ph (phân rã/ gam phút).
Giải phương trình (5.46) đối với t được:
t = (1/l) ln (A0/A) với l = 1,209´10-4 năm-1 (5.47)
Như vậy, hoạt tính 14C trong mẫu phụ thuộc vào thời gian xảy ra từ lúc chấm dứt trao đổi carbon giữa mẫu và nguồn được thể hiện trên Hình 5.9. Theo đồ thị này 40 nghìn năm là giới hạn khi định tuổi bằng carbon phóng xạ.
Các đối tượng lấy mẫu thuận lợi để định tuổi bằng phương pháp phóng xạ carbon đưa ra trong Bảng 5.7. Chú ý mẫu lấy được cần phải cách li khỏi bị lây nhiễm với carbon phóng xạ hiện đại, tuy ệt đối không được rửa mẫu, nhất là rửa di sót hữu cơ khỏi bùn bẩn trong nước tự nhiên.
Các đối tượng để định tuổi theo phương pháp carbon phóng xạ (trích dẫn từ Faure G., 1989)
|
Đối tượng nghiên cứu |
Số lượng vật chất cần lấy (gam) |
Ghi chú |
|
Than gỗ và gỗ |
25 |
Định tuổi thường chính xác, ngoại trừ than gỗ bị nghiền mịn có thể hấp phụ axit mùn |
|
Vật chất hữu cơ lẫn đất |
50-300 |
Đối tượng này ít nhất chứa 1% carbon hữu cơ dưới dạng mảnh thấy được |
|
Than bùn |
50-200 |
Định tuổi thường chính xác, tuy nhiên cần loại bỏ các rễ cây hiện đại thâm nhập vào |
|
Xương bị carbon hoá |
300 |
Tài liệu định tuổi của xương bị carbon hoá mạnh cho kết quả tốt hơn so với loại carbon hoá yếu; vì có thể xảy ra quá trình trao đổi với carbon phóng xạ hiện đại |
|
Vỏ sò (carbon không phải nguồn hữu cơ) |
100 |
Có thể xảy ra quá trình trao đổi carbon thuộc calcit hoặc aragonit của vỏ sò với carbon phóng xạ của nước tự nhiên chứa carbon…. Vì thế độ tin cậy của tài liệu phân tích vỏ sò có phần hạn chế |
|
Vỏ sò (carbon nguồn hữu cơ) |
Một vài kilogam |
Carbon nguồn gốc hữu cơ có mặt dưới dạng vỏ ốc, chiếm 1-2% vỏ sò hiện đại. Do hoạt tính ban đầu của 14C trong các vật chất này không biết, nên có thể có sai số hệ thống trong các tài liệu định tuổi |
|
Vôi đầm lầy và các trầm tích đại dương, hồ |
Khác nhau |
Các vật chất này có thể định tuổi là do hàm lượng carbon phóng xạ trong carbonat calci. Cần đặc biệt chú ý đánh giá sai số do các yếu tố địa phương gây nên. |
Phương pháp carbon phóng xạ (tên tiếng Anh là Radiocarbon Dating method (RD)) là phương pháp phổ biến của các nhà khảo cổ trong việc định tuổi các cổ vật.Đây là phương pháp đo lượng phóng xạ C14 còn lại của 1 cổ vật.
Trong bầu khí quyển luôn tồn tại 1 lượng nhất định C14, đó là kết quả của việc va chạm giữa các tia vũ trụ (tia nơtron chứa các hạt này) và Nitơ. Vì các phản ứng hoá học này diễn ra 1 cách đều đặn do các tia vũ trụ luôn tồn tại trong 1 thời gian dài và có 1 tỉ lệ nhất định cho các vụ va chạm này, tóm lại C14 luôn tồn tại trong vũ trụ. Các sinh vật hay đồ vật luôn tồn tại trong mình 1 tỉ lệ C14 nhất định. Quá trình hấp thu C14 diễn ra như sau:
- C14 trên khí quyển phản ứng với oxy cho ra khí carbonic, khí này ngấm vào nước biển hay bị thực vật hấp thu trong quá trình quang hợp, các sinh vật biển trong môi trường nước và động vật ăn thực vật đương nhiên cũng sẽ hấp thu lượng này.
- Sau khi sinh vật đó chết đi thì không thể hấp thụ thêm C14. Do C14 không bền có tính phóng xạ nên sẽ phân rã dần theo 1 chu kì là 5730 năm, chu kì này gọi là chu kì bán rã. Tức là sau 5730 năm, ½ số C14 này sẽ tự phân rã ra chất khác và giải phóng phóng xạ.
Ta có Công thức:
M / Mo = e^[ - (t x ln2)/T]
Với
M / Mo: tỉ lệ lượng (hay khối lượng) C14 còn lại với C14 lúc vật chưa phân rã (lúc đầu).
T: chu kì bán rã của carbon (5730 năm).
e = 2.8, ln2 = 0.7
Với các dữ kiện đã cho thì dựa vào công thức ta sẽ tìm ra tuổi cổ vật (tìm t).
Để xác định lượng carbon14 lúc đầu của cổ vật (Mo) người ta lấy 1 tiêu bản tương tự như cổ vật được xác định nhưng còn mới. Ví dụ muốn xác định tuổi 1 cành cây đã cũ người ta bẻ 1 cành cây khác còn non để xác định.
Một số điều liên quan tới phương pháp phóng xạ C14
- Phương pháp này được phát triển bởi Willard Libby và 1 số đồng nghiệp tại đại học Chicago năm 1949. Nó được phát triển sau vụ thử “thành công” bom nguyên tử và triển khai ném xuống Nhật. Đúng là “đi lên từ cõi chết”. Năm 1960 Libby được nhận giải Nobel hoá học cho việc này và phương pháp này đã giúp ông xác định, đo đạc chính xác niên đại các miếng gỗ trên sà lan của 1 hoàng tộc Ai Cập cổ đại nổi tiếng.
- Niềm vui của người này cũng là nỗi đau của người khác: Gerhardt Katz, 1 giáo sư đại học nổi tiếng, viết nhiều sách về khảo cổ, đã tự tử năm 1957 khi biết nhờ phương pháp này người ta đã định tuổi 1 nền văn minh trồng trọt cổ đại ở thung lũng Jericho là có từ 7500 trước chứ không phải là 3000 năm như ông định bằng kinh nghiệm. Các báo cáo của ông trở nên sai bét. Vị thế ông bị thu nhỏ. Kết cục buồn cho 1 con người tận tuỵ bởi khoa học luôn có 1 cái gì đó vượt qua sức tưởng tượng của con người.
- Bằng phương pháp này, Ice man, 1 người đàn ông bị đóng băng được tìm thấy trên đỉnh Alpine (biên giới Ý và Áo) được định tuổi, ông ta chết cách đây 5200 năm, đựoc xác định là chết do đá đè trước khi bị băng tuyết “ướp lạnh” nên vẫn còn khá nguyên vẹn da thịt (Tuy bị gãy hông và 1 cánh tay do lỗi sơ ý của những người phát hiện ra).
- Phương pháp này cũng giúp định tuổi của Stonehenge, 1 di tích nổi tiếng ở Anh. Được định tuổi bằng RD, nó tồn tại được khoảng 5000 năm. Điều này đã bác chuyện quân đoàn La Mã hay các giáo sĩ Druid đã dựng nên . Với niên đại này, nó làm từ thời tiền sử.
Nguồn : Internet
Cùng Danh Mục
