Phân tích đồng vị Carbon là gì? Tại sao nó có thể xác định niên đại trong khảo cổ

niên đại 18000 năm, mình thấy có nhiều anh em comment hỏi bằng cách nào mà người ta có thể biết được những con số thời gian này. Do đó bài này mình sẽ chia sẻ với anh em phương pháp phân tích đồng vị Carbon để xác định tuổi của cổ vật. Ngoài phương pháp này còn có nhiều phương pháp khác, nhưng phân tích carbon vẫn là cách phổ biến nhất. Bài viết mình sẽ cố diễn đạt theo cách dễ hiểu nhất chứ không mang tính học thuật nhiều để anh em có thể dễ nắm bắt.

Đồng vị Carbon là gì?

Theo kiến thức cấp 3, các nguyên tố hoá học đều luôn tồn tại những biến thể gọi là Đồng vị. Các đồng vị sẽ có cùng số Proton và Electron nhưng có khác số biệt về số Neutron. Chính sự khác biệt này dẫn tới số khối khác nhau cũng như các tính chất lý / hoá sẽ có sự khác nhau.

Đồng vị được phân ra làm hai dạng là đồng vị bền và đồng vị phóng xạ. Chúng ta sẽ chỉ quan tâm về đồng vị phóng xạ trong khuôn khổ bài này. Đồng vị phóng xạ có tính phóng xạ, nghĩa là hạt nhân của nó không bền vững và sẽ bị biến đổi. Với Carbon, chúng ta có 3 đồng vị chính là 12C, 13C và 14C, trong đó 14C là đồng vị phóng xạ còn 12C và 13C là đồng vị bền. 14C luôn được tạo ra ở các tầng trong khí quyển do các tia trong vũ trụ, các tia này có những hạt neutron và tương tác với 14Nito để tạo ra 14C và hạt proton.

14C này lại trải qua các phản ứng hoá học để tạo thành CO2 vào từ đó được các sinh vật hấp thụ trong quá trình quang hợp hay tiêu hoá.



Một khái niệm khác có liên quan mật thiết đến vấn đề này là chu kì bán rã. Đây là thời gian mà một đại lượng sau khi biến đổi chỉ còn lại một nửa so với lượng ban đầu. Và chính chu kì bán rã là thông số quan trọng để người ta xác định tuổi của cổ vật.

Xác định niên đại bằng đồng vị Carbon-14

Vì hợp chất hữu cơ luôn tồn tại Carbon, do đó phương pháp này được sử dụng phổ biến khi cần xác định tuổi tuyệt đối của một mẫu vật hữu cơ. Ngoài Carbon, còn nhiều đồng vị phóng xạ của những chất khác được dùng trong phương pháp xác định bằng đồng vị nói chung.

Phương pháp này được phát minh bởi ông Willard Libby trên cover vào năm 1940 và chính đây đã mang về cho ông ta một giải Nobel Hoá học năm 1960. Dưới đây là nguyên lý mà phương pháp này hoạt động.

1. Đồng vị carbon 14 là đồng vị phóng xạ có chu kì bán rã là 5730 năm. Nghĩa là lấy ví dụ đơn giản nếu bạn có 4 hạt 14C, sau 5730 năm, chúng ta chỉ còn lại 2 hạt. (hoặc 1gam còn 0.5gam chẳng hạn)
2. Khi một thực vật hay động vật sống, chúng sẽ có lượng 14C trong cơ thể xấp xỉ trong khí quyển hoặc đại dương ( đối với sinh vật dưới nước) taji thời điểm đó. Tuy nhiên sau khi chết đi, lượng 14C giảm do quá trình phân rã.
3. Mức Carbon được dùng để so sánh tại thời điểm trong quá khứ có thể được ước lượng, hoặc lấy từ những dự kiện đã biết bằng những phương pháp gián tiếp khác, ví dụ như đếm số vòng trong thân cây rồi tính số 14C trong thân cây đó chẳng hạn. Hoặc người ta cũng có thể lấy một mẫu tham chiếu khác cùng loại nhưng có mốc thời gian ở hiện tại để tham chiếu.
4. Người ta tiến hành đo phóng xạ để biết độ phân rã hiện tại của mẫu vật là bao nhiêu, từ đó sẽ biết được tuổi của mẫu vật bằng cách so sánh tỉ lệ với 12C hoặc với độ phsong xạ của mẫu vật tương tự đã kể trên. Đây được xem là cách cơ bản.

Lấy một ví dụ cơ bản trong chương trình Vật lý lớp 12 để anh em dễ hiểu như sau nhé:

Biết đồng vị phóng xạ 14C có chu kì bán rã 5730 năm. Giả sử một mẫu gỗ cổ có độ phóng xạ 200 phân rã/phút và một mẫu gỗ khác cùng loại, cùng khối lượng với mẫu gỗ cổ đó, lấy từ cây mới chặt, có độ phóng xạ 1600 phân rã/phút. Tuổi của mẫu gỗ cổ đã cho là

Bấm để mở rộng...

Bằng một số công thức đơn giản, ta dễ tìm được tuổi của mẫu gỗ này là hơn 17 nghìn năm (17190 năm). Mình sẽ không trình bày cách tính để bài viết khỏi lê thê và đi xa hơn khuôn khổ của một bài giải thích thông thường. Tuy nhiên phương pháp này thường không dùng cho các mẫu vật có niên đại ước lượng hơn 50 ngàn năm vì lúc này, lượng 14C còn lại không đủ để cho một kết quả chính xác, lúc này người ta sẽ lại dùng một phương pháp khác.

Ngoài Carbon, người ta còn có thể dùng Uranium hoặc hoặc Kali-Argon (dùng cho mẫu đất) để phân tích. Bằng những phương pháp này, chính nó cũng dùng để biết tuổi của Trái Đất hoặc những thiên thạch va vào TĐ.



Nói về con số 5730 cũng có khá nhiều thú vị. Trong một bài báo xuất bản vào năm 1949 của ông Libby, ông nêu rằng chu kì bán rã của 14C là 5720 sai số 47 năm. Nhưng sau đó, con số này được sữa thành 5568 sai số 30 năm và được dùng trong một khoảng thời gian 10 năm trời. Cho đến năm 1960, người ta chỉnh sửa lại thành 5730 sai số 40 năm cho bây giờ.

Kiến thức cơ bản là thế thôi, thật ra để cấu thành một phương pháp khoa học, cần rất nhiều lượng kiến thức mà có lẽ viết thành 10 bài trên Tinh tế cũng không đủ. Anh em muốn tìm hiểu thêm có thể đọc thêm ở link bên dưới hoặc tìm trên Google từ khoá "Carbon dating" hoặc "Radiocarbon dating" là có cực kì nhiều thông tin chi tiết khác. Trên đây là những chia sẻ kiến thức của mình, mời anh em cùng comment thảo luận nhé

Tham khảo (1), (2), (3), (4)​