Định tuổi bằng carbon-14

Từ testwiki
Bước tới điều hướng Bước tới tìm kiếm

Định tuổi bằng carbon-14 (còn gọi là định tuổi bằng carbon phóng xạ hay đơn thuần là định tuổi bằng carbon) là phương pháp lợi dụng các thuộc tính của đồng vị carbon-14 – một đồng vị carbon có tính phóng xạ – nhằm xác định niên đại của các cổ vật có chất liệu hữu cơ.

Phương pháp định tuổi carbon được phát triển bởi Willard Libby tại Đại học Chicago vào những năm 1940. Ông đã dựa điều này trên quan sát rằng, carbon phóng xạ (Bản mẫu:Chem) liên tục được tạo ra khi các tia vũ trụ tiếp xúc với nitơ trong bầu khí quyển Trái Đất. Các nguyên từ Bản mẫu:Chem được tạo ra từ đó lại tiếp tục phản ứng với oxy trong bầu khí quyển để hình thành nên carbon dioxide. Thực vật hấp thụ phân tử có kèm Bản mẫu:Chem này thông qua quang hợp, rồi truyền sang động vật khi chúng ăn thực vật. Động vật và thực vật ngừng trao đổi carbon với môi trường bên ngoài khi chúng chết đi, khiến lượng Bản mẫu:Chem ban đầu trong cơ thể chúng dần giảm sút đồng thời với quá trình phân rã phóng xạ của Bản mẫu:Chem. Điều này nghĩa là từ việc đo đạc lượng Bản mẫu:Chem trong một mẫu thực vật hoặc động vật chết, ví dụ như mảnh gỗ hoặc mảnh xương, ta có thể lấy được thông tin về niên đại sống của sinh vật ấy. Ngoài ra, điều này cũng có nghĩa là mẫu vật càng cổ thì lượng Bản mẫu:Chem bên trong nó càng ít. Vì thời gian bán rã của Bản mẫu:Chem chỉ vào khoảng 5.730 năm, niên đại cổ nhất mà phương pháp này có thể phát hiện là xấp xỉ 50.000 năm trước. Libby đã nhận Giải Nobel Hóa học vào năm 1960 nhờ công trình khoa học cực kỳ quý giá này.

Nền tảng

Lịch sử

Năm 1939, Martin Kamen và Samuel Ruben thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley đã bắt đầu thí nghiệm để xem xét rằng, liệu các nguyên tố thường xuất hiện ở vật chất hữu cơ có sở hữu các đồng vị với chu kỳ bán rã đủ lâu để có thể được vận dụng trong nghiên cứu y sinh hay không. Họ tổng hợp Bản mẫu:Chem bằng máy gia tốc cyclotron của phòng thí nghiệm và khám phá ra rằng chu kỳ bán rã của Bản mẫu:Chem dài hơn những gì bấy lâu vẫn lầm tưởng.[1] Serge A. Korff, bấy giờ đang công tác tại Viện Franklin ở Philadelphia, ngay sau đó đã suy đoán rằng sự tương tác giữa neutron nhiệt và Bản mẫu:Chem ở thượng tầng khí quyển sẽ tạo ra Bản mẫu:Chem.[chú thích 1][3][4] Trước đó thì người ta cho rằng sự sản sinh Bản mẫu:Chem chủ yếu thông qua tương tác giữa deuteron và Bản mẫu:Chem.[1] Trong Thế chiến II, Willard Libby biết được công trình của Korff và nảy ra ý tưởng vận dụng carbon phóng xạ cho việc xác định niên đại.[3][4]

Năm 1945, Libby chuyển tới Đại học Chicago, nơi ông bắt đầu nghiên cứu về phương pháp xác định niên đại bằng carbon phóng xạ. Ông đã xuất bản một bài báo vào năm 1946, đề xuất rằng lượng carbon trong vật sống nhiều khả năng chứa cả Bản mẫu:Chem lẫn carbon không phóng xạ.[5][6] Libby và đồng sự tiến hành thu lượm methane từ cống rãnh của khu vực Baltimore, thực hiện làm giàu đồng vị và rốt cuộc đã chứng minh được sự hiện diện của Bản mẫu:Chem trong mẫu. Trái lại, methane từ xăng dầu không có hoạt động phóng xạ carbon bởi vì niên đại đã rất cổ. Kết quả được tổng kết trong một bài đăng trên tập san Science vào năm 1947, trong đó các tác giả khẳng định ta có thể xác định được niên đại của các cổ vật mà có chứa carbon bắt nguồn từ chất hữu cơ.[5][7]

Libby và James Arnold đã thử nghiệm lý thuyết định tuổi bằng carbon phóng xạ bằng cách phân tích các mẫu vật mà đã biết niên đại. Ví dụ được họ kiểm tra là các mẫu lấy từ lăng mộ của hai vị vua Ai Cập, Zoser và Sneferu, trước đó đã được định niên đại độc lập về khoảng 2.625 TCN cộng trừ 75 năm; định tuổi lại các mẫu này bằng carbon phóng xạ cho ra kết quả là 2.800 TCN cộng trừ 250 năm. Các kết quả được đăng trên Science vào tháng 12 năm 1949.[8][9][chú thích 2] Trong vòng 11 năm sau phát hiện lớn này, hơn 20 phòng nghiên cứu về định niên đại bằng carbon phóng xạ đã được thành lập trên khắp thế giới.[11] Năm 1960, Libby được trao tặng Giải Nobel Hóa học cho công trình của ông.[5]

Chi tiết hóa lý

Bản mẫu:Chính Ba đồng vị carbon tồn tại trong tự nhiên; hai đồng vị ổn định không phóng xạ là carbon-12 (Bản mẫu:Chem) và carbon-13 (Bản mẫu:Chem), và một đồng vị phóng xạ là carbon-14 (Bản mẫu:Chem), còn gọi là "carbon phóng xạ/radiocarbon". Chu kỳ bán rã của Bản mẫu:Chem (khoảng thời gian mà nửa lượng Bản mẫu:Chem bất kỳ phân rã) là tầm 5.730 năm, vì vậy nên nồng độ của nó trong khí quyển sẽ giảm sút sau hàng ngàn năm; song trên thực tế thì Bản mẫu:Chem liên tục được tạo ra ở tầng bình lưu và tầng đối lưu thượng nhờ chủ yếu vào các tia vũ trụ và ở mức độ thấp hơn là các tia Mặt Trời.[5][12] Các tia vũ trụ này sinh ra các neutron khi chúng đánh xuyên các nguyên tử nitơ-14 (Bản mẫu:Chem) trong khí quyển và biến chúng thành Bản mẫu:Chem.[5] Phản ứng hạt nhân sau đây sản sinh Bản mẫu:Chem:

n + Bản mẫu:Nuclide → Bản mẫu:Nuclide + p

trong đó, n là neutron và p là proton.[13][14][chú thích 3]

Một khi được sản sinh, Bản mẫu:Chem nhanh chóng kết hợp với (O) khí quyển để tạo nên (Bản mẫu:Chem) trước tiên,[14] rồi trở thành carbon dioxide (Bản mẫu:Chem).[15]

Bản mẫu:Chem + Bản mẫu:Chem → Bản mẫu:Chem + O
Bản mẫu:Chem + OH → Bản mẫu:Chem + H

Carbon dioxide sản sinh từ cách này sẽ khuếch tán trong khí quyển, hòa tan vào nước đại dương, và được hấp thụ bởi thực vật thông qua quang hợp. Động vật ăn thực vật, và rốt cuộc khiến Bản mẫu:Chem lưu truyền trong toàn bộ sinh quyển. Tỉ lệ Bản mẫu:Chem so với Bản mẫu:Chem tương đương xấp xỉ 1.25 phần Bản mẫu:Chem trên 1012 phần Bản mẫu:Chem.[16] Ngoài ra, khoảng 1% nguyên tử carbon là đồng vị Bản mẫu:Chem ổn định.[5]

Phương trình thể hiện sự phân rã Bản mẫu:Chem là:[17]

Bản mẫu:Nuclide → Bản mẫu:Nuclide + Bản mẫu:Hạt hạ nguyên tử + Bản mẫu:Math

Bằng cách phát xạ một hạt beta (tức là một electron, e−) và một electron antineutrino (Bản mẫu:Math), một trong những neutron ở hạt nhân của Bản mẫu:Chem sẽ biến đổi thành proton và hạt nhân Bản mẫu:Chem thì sẽ biến đổi thành đồng vị ổn định (không phóng xạ) Bản mẫu:Chem.[18]

Nguyên lí

Khi còn sống, động thực vật tồn tại trong trạng thái cân bằng với môi trường xung quanh thông qua quá trình trao đổi carbon với khí quyển hoặc thông qua chế độ hấp thụ dinh dưỡng của chúng. Do vậy, lượng Bản mẫu:Chem trong chúng có tương quan với lượng Bản mẫu:Chem khí quyển, hoặc đối với trường hợp của động thực vật thủy sinh thì là tương quan với lượng Bản mẫu:Chem đại dương. Một khi chết đi, động thực vật ngừng hấp thụ Bản mẫu:Chem, nhưng lượng Bản mẫu:Chem bên trong vẫn bị phân rã dần, dẫn đến sự sụt giảm tỉ lệ Bản mẫu:Chem/Bản mẫu:Chem ở các di vật bắt nguồn từ chúng. Bởi lẽ Bản mẫu:Chem phân rã theo mức nhất định, người ta có thể vận dụng tỉ lệ carbon phóng xạ để xác định niên đại của một vật thể vào thời điểm mà nó ngừng trao đổi carbon với môi trường ngoài – mẫu càng cổ thì lượng Bản mẫu:Chem sót lại càng ít.[16]

Phương trình biểu diễn tốc độ phân rã của đồng vị phóng xạ là:[5]

N=N0e−λt

trong đó, N0 là số nguyên tử ban đầu của đồng vị (tại thời điểm t = 0), và N là số nguyên tử sót lại sau khoảng thời gian t.[5] λ là một hằng số tùy thuộc vào từng đồng vị; hay chính bằng nghịch đảo của chu kỳ sống trung bình – tức là thời gian tồn tại trung bình hoặc kỳ vọng của một đồng vị trước khi nó trải qua quá trình phân rã.[5] Thời gian sống trung bình, ký hiệu là τ, của Bản mẫu:Chem là 8.267 năm,[chú thích 4] vậy nên phương trình trên có thể được viết lại là:[20]

t=ln⁡(N0/N)⋅8267 năm

Giả thiết tỉ lệ Bản mẫu:Chem/Bản mẫu:Chem ban đầu trong mẫu ngang bằng tỉ lệ trong khí quyển và kết hợp với thông tin đã có về cỡ mẫu, ta có thể tính toán được tổng số nguyên tử trong mẫu, thu được N0, hay số nguyên tử Bản mẫu:Chem trong mẫu gốc. Việc đo lường N, hay số nguyên tử Bản mẫu:Chem hiện có trong mẫu, cho phép ta tính ra t, hay niên đại của mẫu, bằng cách áp dụng phương trình bên trên.[16]

Xem thêm

Chú thích

Bản mẫu:Tham khảo

Tham khảo

Bản mẫu:Tham khảo

Nguồn

Bản mẫu:Refbegin

Bản mẫu:Refend

Liên kết ngoài

Bản mẫu:Wikibooks

  1. ↑ 1,0 1,1 Taylor & Bar-Yosef (2014), tr. 268.
  2. ↑ Bản mẫu:Chú thích tạp chí
  3. ↑ 3,0 3,1 Taylor & Bar-Yosef (2014), tr. 269.
  4. ↑ 4,0 4,1 Bản mẫu:Chú thích web
  5. ↑ 5,00 5,01 5,02 5,03 5,04 5,05 5,06 5,07 5,08 5,09 Bowman (1995), tr. 9–15.
  6. ↑ Bản mẫu:Chú thích tạp chí
  7. ↑ Bản mẫu:Chú thích tạp chí
  8. ↑ Bản mẫu:Chú thích tạp chí
  9. ↑ Aitken (1990), tr. 60–61.
  10. ↑ Bản mẫu:Chú thích tạp chí
  11. ↑ Bản mẫu:Chú thích web
  12. ↑ Bản mẫu:Chú thích sách
  13. ↑ Bianchi & Canuel (2011), tr. 35.
  14. ↑ 14,0 14,1 14,2 Bản mẫu:Chú thích tạp chí
  15. ↑ Lỗi chú thích: Thẻ <ref> sai; không có nội dung trong thẻ ref có tên Alves2018
  16. ↑ 16,0 16,1 16,2 Tsipenyuk (1997), tr. 343.
  17. ↑ Bản mẫu:Chú thích tạp chí
  18. ↑ Taylor & Bar-Yosef (2014), tr. 33.
  19. ↑ Libby (1965), tr. 42.
  20. ↑ Aitken (1990), tr. 59.


Lỗi chú thích: Đã tìm thấy thẻ <ref> với tên nhóm “chú thích”, nhưng không tìm thấy thẻ tương ứng <references group="chú thích"/> tương ứng

Lấy từ “https://vi.wiki.beta.math.wmflabs.org/w/index.php?title=Định_tuổi_bằng_carbon-14&oldid=1961”