Nghiên cứu đo tuooit carbon phóng xạ mẫu địa chất bằng Detecto nhấp nháy lỏng

Nghiên cứu đo tuooit carbon phóng xạ mẫu địa chất bằng Detecto nhấp nháy lỏng

THƯ VIỆN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH - LÊ THỊ NGỌC HẠNH NGHIÊN CỨU ĐO TUỔI CARBON PHÓNG XẠ MẪU ĐỊA CHẤT BẰNG ĐETECTƠ NHẤP NHÁY LỎNG Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử, hạt nhân & lượng cao Mã số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN QUANG MIÊN Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2010 Lời cảm ơn Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Quang Miên - người hướng dẫn nhiệt tình tác giả trình làm hoàn tất luận án Ngoài tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn đến thầy giáo khoa vật lí khoa sau đại học trường ĐHSP Thành Phố Hồ Chí Minh, giúp đỡ nhà nghiên cứu phịng thí nghiệm,Viện khảo cổ học Việt Nam tạo điều kiện cho sử dụng trang thiết bị trình tiến hành thực nghiệm để hồn tất luận án Ngồi ra, tác giả cịn xin chân thành cảm ơn thầy phản biện đóng góp nhiều ý kiến để luận văn hồn thiện Đồng thời xin cảm ơn quý thầy cô hội đồng khoa học dành thời gian đọc góp ý cho luận văn giúp tơi thêm tiến TP HCM, tháng năm 2010 Lê Thị Ngọc Hạnh BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT AMS (Accelarator Mass Spectro): Máy khối phổ kế gia tốc GPC (Gas Proportional Counting): Ống đếm tỉ lệ LSC (Liquid Scintillation Counting): Đếm nhấp nháy lỏng LK4A: Lỗ khoan địa chất 4A LKVN: Lỗ khoan địa chất VN MỞ ĐẦU I Lí chọn đề tài Cùng với phát triển vật lí học, đặc biệt với đời phát triển vật lí hạt nhân, phương pháp tính tuổi carbon phóng xạ góp phần đánh dấu phát triển địa chất khảo cổ học Thông qua việc so sánh hoạt độ phóng xạ nguyên tố carbon có vật sau chết thời điểm lúc cịn sống, từ suy tuổi cổ vật Kể từ lúc đời, phương pháp nhanh chóng khẳng định tầm quan trọng - công cụ thiếu nhà địa chất khảo cổ, chuyên gia lĩnh vực đánh giá vấn đề mơi trường liên quan tới carbon Hiện tính tuổi carbon phương pháp sử dụng phổ biến, phương pháp tính tuổi xác biết đến Sự phát triển mang lại cách mạng cho ngành địa chất khảo cổ học, việc cung cấp phương tiện đo tuổi ngày xác đại Cho đến có nhiều phương pháp để xác định hàm lượng đồng vị 14C: phương pháp khối phổ kế phương pháp đo trực tiếp hoạt độ carbon phóng xạ Phương pháp khối phổ kế dùng để xác định số nguyên tử carbon trực tiếp có mẫu Bên cạnh ưu điểm có độ nhạy cao, lượng mẫu sử dụng nhỏ, vấn đề gặp phải giá thành phân tích phương pháp đắt, đòi hỏi hệ thống sở hạ tầng phức tạp, khó áp dụng phổ biến Chính vậy, khơng Việt Nam mà nước giới phương pháp xác định hàm lượng 14C khối phổ kế không sử dụng cho mục tiêu đại trà, phổ biến Trên thực tế, phịng thí nghiệm 14 C, hoạt độ phóng xạ riêng 14 C mẫu vật thường xác định phương pháp tổng hợp benzen đếm nhấp nháy lỏng Ở Việt Nam, phương pháp chưa phổ biến, việc tìm hiểu nghiên cứu vấn đề vấn đề quan tâm Thông qua việc nghiên cứu đề tài này, tác giả có dịp tìm hiểu kĩ sâu nội dung khoa học phương pháp, tình hình ngồi nước, trực tiếp thực thí nghiệm xác định tuổi carbon phóng xạ mẫu địa chất hệ đo phòng viện khảo cổ học Việt Nam Với lí tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đo tuổi carbon phóng xạ mẫu địa chất detector nhấp nháy lỏng” làm đề tài luận văn thạc sỹ II Mục đích nghiên cứu đề tài Góp phần nâng cao hiểu biết tri thức vật lí hạt nhân cách triển khai ứng dụng công nghệ hạt nhân thực tiễn Ngồi ra, thành cơng đề tài trực tiếp góp phần xác lập giải pháp hữu hiệu phân tích xác định tuổi mẫu địa chất phương pháp carbon phóng xạ Việt Nam III Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài mẫu địa chất có chứa carbon vấn đề kỹ thuật chuyên môn liên quan đến đo hoạt độ phóng xạ beta detector nhấp nháy lỏng (như: gia công mẫu, tổng hợp benzen, tạo detector….) IV Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Đề tài có ý nghĩa khoa học góp phần nâng cao hiểu biết chung tri thức vật lí hạt nhân cách thức triển khai ứng dụng công nghệ hạt nhân đời sống kinh tế xã hội Kết nghiên cứu đề tài ứng dụng triển khai phân tích xác định tuổi mẫu địa chất phương pháp carbon phóng xạ Việt Nam V Phạm vi nghiên cứu -Tiến hành nghiên cứu kĩ thuật tiến hành đo tuổi carbon phóng xạ mẫu địa chất hệ đo nhấp nháy lỏng - Tiến hành thực nghiệm Viện khảo cổ học Việt Nam Luận văn phần mở đầu kết luận gồm chương: Chương 1: Cơ sở khoa học phương pháp Chương 2: Thực nghiệm xác định tuổi carbon phóng xạ Chương 3: Kết thảo luận Đề tài luận văn thực khoảng thời gian từ tháng 10/2009 đến tháng 6/1010 Phịng thí nghiệm Xác định niên đại, Viện Khảo cổ học Việt Nam Chương 1: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP 1.1 Phân bố đồng vị 14C tự nhiên 1.1.1 Carbon phóng xạ chu chuyển 14C môi trường Trong tự nhiên, carbon tồn dạng tinh khiết hay dạng hợp chất vô như: kim cương, than chì, than đá, đá vơi hay hydrocarbonnat hịa tan nước Ngồi ra, carbon cịn ngun tố chủ yếu cấu tạo nên hợp chất hữu thành phần quan trọng để tạo tổ chức sống Trong khí quyển, carbon có hợp chất khí, mà phổ biến khí carbonđiơxit CO2 Qua đường quang hợp, nguyên tố đưa vào trong tổ chức tế bào thực vật Động vật ăn thực vật hấp thụ carbon vào thể Nghĩa là, theo trình trao đổi chất sinh học, carbon đưa vào thể sống Trong tự nhiên carbon có ba đồng vị là: 12C, 13C, 14C Trong hai đồng vị đầu: 12 C, 13C đồng vị bền chiếm phần chủ yếu (12C chiếm 99,63%; 13C chiếm 0,07%) cịn 14C đồng vị khơng bền, có khả phân rã phóng xạ β- (với chu kì bán rã T1/2 =5730 năm) để trở thành nguyên tố khác Carbon phóng xạ (14C) đồng vị có nhiều ứng dụng nghiên cứu địa chất, khảo cổ vấn đề môi trường liên quan tới carbon Nó sản phẩm tương tác tia vũ trụ với nguyên tử nitơ tạo liên tục bầu khí độ cao 15km đến 20km tính từ mặt đất, theo phương trình phản ứng hạt nhân: n  147 N  146 C  p  0, 6MeV (1.1) Sau tạo ra, carbon phóng xạ nhanh chóng bị oxi hóa thành khí 14CO2, tham gia vào chu trình hoạt động carbon đồng vị carbon khác Trong tự nhiên, CO2 loại khí có tính chất linh động cao nhanh chóng phân tán khắp tồn cầu bầu khí quyển, sinh thủy Quá trình phân tán coi nhanh chóng, đồng Sự tạo thành trình chu chuyển (hình 1.1) 14 C môi trường minh họa BỨC XẠ VŨ TRỤ n 1 14 14 p N 14 C N  01 n 14 C  1p 14 CO Quang hợp Trao đổi Trao đổi Sò ốc 14 CO2+H2O, mùn rác HỒ AO Ca 12CO3, Đá vôi H 14 CO 3 , H 12 CO 3 ; Nước ngầm ĐẠI DƯƠNG Hình 1.1 Sơ đồ trình chu chuyển 14C tự nhiên Đồng vị 14C có khả phân rã β-, sau điện tử chuyển thành đồng vị bền 14N, theo phương trình sau: 14 C  147 N  01 e   (1.2) Bức xạ beta 14C có lượng cực đại Emax=156keV đồng vị phân rã beta mềm túy 1.1.2 Hiện tượng cân đồng vị carbon tự nhiên Như biết, ln có hai q trình ngược xảy hai đồng vị 14C 14N: trình tạo đồng vị 14C từ 14 N tác dụng tia vũ trụ phương trình (1.1); trình tự phân rã 14C tạo thành 14N phương trình (1.2) Quá trình diễn từ lâu, lâu nhiều so với chu kì bán rã 14C T1/2=5730 năm Theo đó, coi số hạt nhân 14 N khí khơng bị thay đổi ngồi q trình kích hoạt thơng lượng neutron số đến lượng 14C tạo (1.1) lượng 14C phân rã (1.2) 14 , nghĩa tỉ số 12 C khơng đổi C 14 Trong khí tỉ số 12 C  1,3.10-12 Đồng thời theo quy ước hiệp hội carbon phóng xạ C quốc tế, hoạt độ phóng xạ riêng 14C 1gam carbon lấy từ khơng khí hay 1gam carbon tự nhiên Ao=13,56 dpm/1gC hay 226Bq/1kgC Tính chất cân đồng vị carbon thực vật môi trường sống dẫn tới kết quan trọng sau: hoạt độ phóng xạ riêng 14 C gam carbon tinh chế từ thực vật hoạt độ phóng xạ riêng 14C gam tinh chế từ khí 226 Bq/1kgC Nguyên nhân cân đồng vị trao đổi chất không ngừng sinh vật môi trường sống 1.2 Mơ hình tốn đo tuổi 14C mẫu địa chất 1.2.1 Cơ sở phương pháp Ý tưởng sử dụng đồng vị 14C làm chất thị xác định tuổi cho mẫu vật có liên quan đến sống Wiliard Libby đề xuất năm 1949 thành cơng đem đến vinh dự cho nhà khoa học giải thưởng Nobel năm 1960 Kể từ đến phương pháp khơng ngừng cải tiến hồn chỉnh để ngày có số liệu tin cậy 14 Như nêu, cịn sống sinh vật ln trì tỉ lệ đồng vị 12 C giá trị không đổi C 1,3.10-12 Khi khơng cịn trao đổi chất với bên ngồi (sinh vật chết), khơng cịn hấp thụ carbon nữa, lượng carbon phóng xạ (14C) chúng bị suy giảm theo quy luật phân rã phóng xạ với chu kì bán rã 5730 năm, phương trình (1.3) N=Noexp(-t) (1.3) đó: N No số hạt nhân carbon phóng xạ cịn lại trình phân rã sau thời gian t số hạt nhân ban đầu,  số phóng xạ 14C Về mặt nguyên tắc, để xác định tuổi mẫu vật chứa carbon ta phải xác định tỉ số đồng vị carbon thời điểm ban đầu tỉ số đồng vị cịn lại sau thời gian t, ứng với thời điểm xác định tuổi Mặt khác hàm lượng 14C nhỏ nên để xác định hàm lượng 14C đối tượng nghiên cứu, chúng thường đưa dạng hợp chất chứa nguyên tử carbon Trên thực tế toán xác định tuổi theo 14C đưa toán xác định hoạt độ phóng xạ riêng 14C 1g hay 1kg C thu từ mẫu vật nghiên cứu chứa carbon Phương trình (1.3) lại chuyển dạng phương trình phân rã phóng xạ quen thuộc sau đây: A  A o exp( 0, 693 t) T (1.4) Trong đó: A, Ao hoạt độ phóng xạ riêng 14C gam C lấy từ mẫu phân tích thời điểm t thời điểm ban đầu, T chu kì bán rã 14 C Hoạt độ phóng xạ riêng Ao phương trình (1.4) có giá trị 13,56 dpm/1gC hay 226 Bq/1kgC Lấy logarit tự nhiên hai vế phương trình (1.4), ta có phương trình tính tuổi 14C cho mẫu vật sau: t( T A  ) ln  o  ln  A  (1.5) Trong đó: A, Ao hoạt độ phóng xạ riêng 14C gam carbon (C) lấy từ mẫu phân tích thời điểm t thời điểm ban đầu T chu kì bán rã 14C Theo cách tính truyền thống, giá trị chu kì bán rã 14C lấy theo giá trị mà W Libby thực trước 5568 ± 30 năm Tuy nhiên chuyển đổi kết tính tuổi 14 C theo giá trị chu kì bán rã 14C 5730 ± 40 năm (do Godwin thực năm 1962) cách nhân kết với hệ số 1,03 Ngoài ra, theo quy ước truyền thống, hàm lượng 14C ban đầu (Ao) mẫu quy chuẩn giá trị hàm lượng 14C khí thời điểm năm 1950 Giá trị kiểm chứng nhiều phịng thí nghiệm 13,56 dpm/g (số phân rã diễn phút 1g carbon) [4] Tốc độ phân rã đồng vị 14C mẫu đo tuổi thời điểm t xác định qua phép đo đối sánh với mẫu chuẩn 14C quốc tế Tóm lại, sử dụng giả thiết trên, kết tính tuổi carbon phóng xạ mẫu khảo cổ học quy chuẩn mốc niên đại quy ước năm 1950 AD (Anno Domini) Và tương ứng theo quy ước này, kết niên đại viết theo đơn vị năm viết tắt BP (Before present) Như vậy, thấy: Phạm vi ứng dụng phương pháp đo tuổi 14C mẫu có nguồn gốc từ thể sống, tức hấp thụ 14CO2 khí tuổi mẫu khoảng thời gian từ lúc ngừng trao đổi chất đến Để xác định xác tuổi mẫu vật cần phải xác định xác giá trị hoạt độ A, Ao Với mẫu vật có tuổi lớn, hoạt độ phóng xạ 14C nhỏ, giá trị A nhỏ Vì vậy, toán xác định tuổi mẫu vật theo phương pháp đo hoạt độ 14C gắn liền với toán xác định hoạt độ phóng xạ nhỏ 1.2.2 Hiệu chỉnh tuổi 14C 1.2.2.1 Hiệu chỉnh theo niên đại vòng Sử dụng phương pháp xác để xác định tuổi đối tượng, phương pháp đếm vòng cây, người ta phát sai lệch tuổi thực tuổi đối tượng nghiên cứu theo phương pháp 14C Sự sai lệch lớn niên đại vật tăng Các nghiên cứu cho thấy nguyên nhân dẫn đến sai lệch sau: - Sự thăng giáng từ trường mặt trời làm cho dòng xạ chiếu tới Trái đất thay đổi Qua phân tích, thời gian ứng với hàm lượng đồng vị 14C cao thường ứng với cực tiểu hoạt động mặt trời - Hoạt động người, sử dụng nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt vụ nổ hạt nhân thử nghiệm Các số liệu quan trắc vào năm 1966 -1967 hoạt độ phóng xạ riêng 14 C khí tăng lên gấp đơi so với đầu kỉ 20 Sau ngừng vụ thử hạt nhân, hoạt độ phóng xạ riêng 14C giảm dần có suy hướng đạt tới giá trị Ao - Ngoài ra, nghiên cứu chi tiết đời sống sinh vật cịn có  14 C  khác biệt tỉ số  12  sinh vật hay vùng khí  C Tóm lại, thấy có biến đổi giá trị Ao cơng thức (1.4), sử dụng phương pháp 14 C để xác định tuổi mẫu vật, hiệp hội phịng thí nghiệm carbon phóng xạ quốc tế đưa phép hiệu chỉnh tuổi 14C theo giá trị niên đại vòng Từ đó, làm tăng đáng kể độ tin cậy kết đo tuổi theo phương pháp 1.2.2.2 Hiệu chỉnh hệ số tách đồng vị Về phương diện hóa học khơng có khác biệt đáng kể đồng vị nguyên tố, nghĩa phản ứng hóa học xảy với tốc độ đồng vị nguyên tố Tuy nhiên phương diện động học sinh học tồn hiệu ứng phân biệt hay lọc lựa khác đồng vị nặng đồng vị nhẹ nguyên tố Hiệu ứng gọi hiệu ứng tách đồng vị hay hiệu ứng fractionation Kết phân tích xác ... TUỔI CARBON PHÓNG XẠ 2.1 Nghiên cứu qui trình phân tích đo tuổi 14 C mẫu địa chất sử dụng hệ đo Tri-carb 2770TR/SL Quá trình thực xác định tuổi carbon phóng xạ mẫu địa chất hệ đo nhấp nháy lỏng. .. đo detector nhấp nháy lỏng Detector chế tạo người làm thí nghiệm đo tuổi 14C chúng tơi trình bày kĩ 1.4.2 Detector nhấp nháy lỏng Trong kĩ thuật xạ hạt nhân detector nhấp nháy lỏng, chất đo detector... nháy Sơ đồ ngun lí hệ đo carbon phóng xạ detector nhấp nhày lỏng hình 1.2 2 Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ đo 14C detector nhấp nháy lỏng Mẫu đo có chứa detector nhấp nháy lỏng Ống nhân quang điện