a) Nguồn gốc của 14C
Cacbon cú 3 đồng vị trong tự nhiờn: hai đồng vị bền là 12C (với độ phổ cập là 99,63%) và
13C (0,37%) cũn đồng vị phúng xạ14C thỡ phừn rú bờta với Ebmax = 158 keV và T1/2 = 5730 năm. Cacbon phúng xạđược Hỡnh thành do tương tỏc của Cỏc tia vũ trụ với khớ quyển ở tầng cao. Proton năng lượng cao, thành phần chủ yếu của tia vũ trụ sơ cấp, bắn phỏ Cỏc hạt của khớ quyển ở tầng cao, tạo ra tia vũ trụ thứ cấp, trong đú cú rất nhiều nơtron. Nơtron tương tỏc với hạt 14N, sinh ra 14C theo phản ứng
14 14
7 6
n+ N→ C+ +p 0,6 MeV
Hiệu suất tạo 14C là ởđộ cao chừng 15 ữ 20 km trong tầng bỡnh lưu thấp cú giỏ trị cực
đại. Cỏc nguyờn nhõn tử cacbon phúng xạ sẽ nhanh chúng bị oxy hoỏ thành 14CO2 và phừn tỏn khắp toàn cầu trong bầu khớ quyển, sinh quyển và Cỏc tầng khớ quyển khỏc.
Sự quang hợp đú đưa một phần 14C vào sinh quyển (đưa cacbon vào trong thực vật, từđú vào trong cơ thể sống theo chu trỡnh thức ăn). Phần cũn lại hoà tan trong nước bề mặt đại dương, rồi sau lại thừm nhập vào trong vỏ sinh vật biển. Do đú hàm lượng 14C được duy trỡ
hầu như khụng đổi trong phần lớn tầng sinh quyển.
Khi sự sản sinh cacbon phúng xạ14C đạt tới một mức độ cú thể coi là trạng thỏi cừn bằng
ổn định, thỡ hàm lượng cacbon phúng xạ quan sỏt được trong Cỏc mẫu vật hiện nay cú thể được dựng để đặc trưng cho độ phúng xạ ban đầu của 14C trong mụi trường chứa Cacbon tương ứng. Khi sinh vật (động vật, thực vật) chết, chu trỡnh sinh học ngừng lại, Cỏc tàn tớch thực vật và động vật khụng hấp thụ cacbon được nữa và tỏch ra khỏi sự trao đổi, chuyển hoỏ
với mụi trường xung quanh. Từđú lượng cacbon phúng xạ trong xỏc động thực vật sẽ giảm theo hàm mũ với chu kỳ bỏn rú 5730 năm.
b) Xỏc định tuổi của mẫu vật bằng phương phỏp cacbon phúng xạ
Để xỏc định tuổi của một mẫu vật, người ta đo độ phúng xạ cũn dư của 14C trong mẫu, rồi so sỏnh với độ phúng xạ 14C của mẫu tương ứng coi nhưở tuổi ban đầu zero. Mẫu phừn tớch phải cú nguồn gốc từ cơ thể sống, tức là đú hấp thụ 14CO2. Cỏc mẫu nhưđỏ, gốm, nếu cú chứa một số chất hữu cơ cũn sút lại thỡ cũng cú thể xỏc định tuổi của chúng bằng phương phỏp 14C.
Sựđo hàm lượng 14C của một mẫu hữu cơ sẽ cho phộp xỏc định chớnh xỏc tuổi của mẫu nếu thừa nhận Cỏc giả thiết sau đừy:
- Lượng 14C do tia vũ trụ sinh ra được coi là khụng đổi trong một thời gian dài
để thiết lập được một tỷ sốđồng vị14C/ 12C ổn định trong khớ quyển.
- Đú cú một sự pha trộn rất nhanh và trọn vẹn trong toàn bộ Cỏc mụi trường khỏc nhau chứa cacbon.
- Tỷ số đồng vị 14C/12C trong Cỏc cơ thể sống khụng bị biến đổi. Tỷ số này
14 12 12
C / C≈1,3.10− . Khi chết, tỷ sốđú giảm vỡ14C phừn rú phúng xạ.
- Lượng cacbon toàn phần trong bất kỳ mụi trường nào cũng đều khụng bị biến
- Ở bề mặt Trỏi Đất, trờn 1cm2, trung bỡnh trong 1 giừy cú 2 nguyờn nhõn tử
cacbon 14 tạo thành do tỏc dụng của nơtron trong thành phần Cỏc tia vũ trụ.
Đối với cơ thể sống, trong 1g cacbon cho 15,3 phừn rú trong một phỳt.
Về mặt kỹ thuật, phải cú khả năng đo hàm lượng 14C, hay núi khỏc đi, đo độ phúng xạ
nhỏ của cacbon phúng xạ, với độ chớnh xỏc cao.
Với Cỏc giả thiết trờn, vào những năm 1940, giỏo sư Willard Libby cựng nhúm đồng nghiệp trường đại học Chicago đú đưa ra phương phỏp xỏc định tuổi (niờn đại) dựa vào độ
phúng xạ cacbon 14 trong Cỏc vật cổ từ vài trăm đến vài chục ngàn năm. - Theo phương phỏp kinh điển của Libby:
Từ định luật phừn rú phúng xạ 14 14 ( ) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
C C
N (t)=N (0)exp - Tλ , trong đú 14
C
N (0)là số nguyờn nhõn tử (hạt ) 14C tại thời điểm sinh vật bắt đầu ngừng trao đổi chất với mụi trường xung quanh, thớ dụ khi cõy gỗ bị chặt để làm vật cổ 14
C
N (T) là số nguyờn nhõn tử (hạt ) 14C tại thời
điểm đo, λ là hằng số phừn rú của 14C, tức là bằng 0, 693 -1
năm
5730 , T là thời gian tớnh từ khi sinh vật chết đến thời điểm đo, hay núi khỏc đi T chớnh là tuổi của vật cổ. T được xỏc định theo hệ
thức: 14 14 14 14 C C C C N (0) N (0) 1 5730 T ln ln N (T) 0,693 N (T) = = λ năm. Trong thực nghiệm, chỉ cũn phải đo hoạt độ phúng xạ 14 C N (T) của mẫu vật (chẳng hạn của 1 g mẫu vật trong 1 phỳt). Cũn 14 C N (0) thỡ cú giỏ trị bằng 15,3 nhưđú núi ở trờn.
Để thử nghiệm, Libby đú ỏp dụng phương phỏp này cho Cỏc mẫu vật đú biết tuổi, thớ dụ
Cỏc vật cổ thời văn minh Aicập đú được xỏc định niờn đại. Libby đú được trao giải thưởng Nobel về hoỏ học năm 1960. Theo phương phỏp của Libby người ta đú xừy dựng ở Mỹ và ở
Chừu Âu nhiều phũng thớ nghiệm đo cacbon phúng xạ.
Vỡđộ phúng xạ của 14C rất yếu, 1gam cacbon chỉ cho khoảng 15 hạt bờta trong 1 phỳt nhưđú núi ở trờn nờn hệđo phải cú phụng rất thấp.
Nhờ tiến bộ của kỹ thuật đo phúng xạ mà tuổi mẫu vật xỏc định theo độ phúng xạ 14C càng ngày càng chớnh xỏc.
Trước đừy, người ta dựng phương phỏp kinh điển là đo lượng 14C trong hoỏ thạch bằng Cỏch tạo ra 14CO2 từ Cỏc tàn dưđú, rồi đếm Cỏc hạt bờta do 14C phỏt ra. Kỹ thuật này đũi hỏi thời gian đo tương đối dài, cú thể tới nhiều ngày, nhất là những mẫu cú tuổi gần giới hạn đo của phương phỏp (khoảng 35.000 năm) vỡ hàm lượng 14C quỏ thấp. Hơn nữa lại phải cần dựng một khối lượng lớn Cỏc mẫu vật, do đú phỏ huỷ mất phần lớn mẫu vật cần được xỏc
định tuổi.
Vào những năm cuối thập kỷ 70 người ta đú dựng tổ hợp một mỏy gia tốc liờn kết với một khối phổ kế để cú thể xỏc định trực tiếp số nguyờn nhõn tử14C trong mẫu. Phương phỏp này gọi là phương phỏp khối phổ kế gia tốc AMS (Accelerator Mass Spectrometry). Phương phỏp này cho phộp dựng một lượng mẫu nhỏ hơn hàng ngàn lần so với phương phỏp kinh
điển của Libby.
Vớ dụ: Trong 1mg mẫu cacbon, hiện nay, với phương phỏp kinh điển của Libby cú thể
số thống kờ 1% thỡ phải đếm được 10.000 phừn rú, nghĩa là phải thực hiện một phộp đo liờn tục trong khoảng hơn một năm! Tuy nhiờn, ta lại cú thể ghi nhận được 10.000 hạt 14C trong một mẫu cacbon cú cựng khối lượng như vậy mà chỉ mất vài chục phỳt với thiết bị AMS. Phương phỏp AMS xỏc định tuổi T dựa vào tỷ số R của sốđồng vị14C và 12C đo được bằng thực nghiệm nhờ khối phổ kế: 14 12 C C N (T) R N (T) = . Vỡ chỉ 14 C khụng phúng xạ nờn hệ thức trờn cú thểđược viết như sau: 14 12 C C N (0) R exp( T) N (0) = −λ . Tỷ sốđồng vị 14 12 C C N (0) N (0) trong cơ thể sống cú giỏ trị bằng 1,3.10-12 nhưđú núi ở trờn. Như vậy tuổi T của mẫu được tớnh theo hệ thức: 12 5730 1,3.10 T ln (năm) 0, 693 R − = .
Chớnh nhờ kỹ thuật AMS này mà năm 1992 với vài mẫu vụn lấy ở Cỏc bức hoạ trờn vỏch đỏ trong hang ngầm dưới biển Cosquer gần Marseille (Phỏp) mà trung từm hoạt độ
phúng xạ nhỏ (Centre des Faibles Radioactivites, CFR) Gif-sur-Y-vette đú xỏc định được tuổi bằng phương phỏp cacbon phúng xạ14C của Cỏc bức hoạđú là 18.000 năm và tuổi của bức vẽ
một bàn tay là 27.000 năm. Và mới đừy, sự xỏc định niờn đại bằng cacbon phúng xạ, với kỹ
thuật AMS, Cỏc mảnh than xương vụn lấy từ 3 bức hoạđộng vật trong hang Chauvet - Pont - d'Are đú cho biết tuổi Cỏc bức hoạ xấp xỉ 30.000 năm.
c) Sai lệch bất ngờ
Một phương phỏp đo chớnh xỏc hơn đú phỏt hiện một sai số hệ thống giữa tuổi xỏc định bằng phương phỏp cacbon phúng xạ14C với tuổi thực theo năm lịch.
Nhà vật lý Hà Lan, Hessels de Vries, người đầu tiờn đú phỏt hiện sự sai lệch đú khi đối chiếu tuổi của Cỏc cõy gỗ hoỏ thạch xỏc định bằng phương phỏp 14C với tuổi đếm theo Cỏc vũng cõy (tree-rings).
Cỏc vũng cõy cú thể được nhỡn thấy rất rừ trờn tiết diện ngang của thừn cõy mọc trong vựng khớ hậu ụn đới và cận cực.
Cỏc vũng cõy được Hỡnh thành bằng sự phừn chia tế bào trong Cỏc mụ sinh gỗ ở ngay phớa trong vỏ cõy. Ranh giới của vũng cõy, hay vũng sinh trưởng, được tạo thành bởi lớp tế (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
bào đặc cú vỏch dày gọi là gỗ muộn màu sẫm và lớp tề bào xốp hơn cú vỏch mỏng gọi là gỗ
sớm màu sỏng.
Khi sự tăng trưởng về đường kớnh bắt đầu vào mựa xuừn thỡ nảy sinh Cỏc tề bào lớn vỏch mỏng, tạo thành gỗ sớm. Cuối mựa sinh trưởng thỡ Cỏc tế bào mới Hỡnh thành gỗ muộn.
Khi đếm Cỏc vũng cõy của một thừn cõy húa thạch, ta xỏc định được tuổi của cõy với sai số chừng 1 năm. Kỹ thuật này gọi là kỹ thuật xỏc định tuổi bằng vũng cõy hay vũng sinh trưởng.
Theo kỹ thuật đếm số vũng cõy, người ta đú xỏc định được khỏ chớnh xỏc thời kỳ
Holoxen khoảng 9000 năm, trong khi phương phỏp 14C đỏnh giỏ tuổi thấp hơn khoảng nghỡn năm.
d) Nguyờn nhõn sai lệch. Cỏc phương phỏp hiệu chỉnh
Nhiều phũng thớ nghiệm đú kiểm nghiệm phương phỏp xỏc định tuổi bằng Cỏch đếm số
vũng cõy với độ chớnh xỏc ngày càng cao. Vỡ thế phương phỏp của Hessel de Vries đú được chấp nhận và người ta phải đi tỡm giải phỏp để hiệu chỉnh tuổi nhận được từ phương phỏp cacbon phúng xạ.
Nguyờn nhõn sai lệch là sự biến đổi theo thời gian của tỷ số số hạt 14C/12C mà phương phỏp kinh điển của Libby đú được giảđịnh là hằng số.
Khi xỏc định tuổi của san hụ bằng một kỹ thuật hoàn toàn mới - phương phỏp uran - thori - chớnh xỏc hơn kỹ thuật cacbon phúng xạ, người ta cũng lại thấy rừ Cỏc sai lệch giữa tuổi xỏc định theo phương phỏp 14C và tuổi thực.
Ta hóy núi thờm một chỳt về phương phỏp uran thori xỏc định tuổi san hụ.
Phương phỏp này dựa vào mối liờn hệ giữa đồng vị mẹ234U, cú T1/2 = 244.500 năm, và
đồng vị con 230Th, cú T1/2 = 75.400 năm. Người ta biết san hụ đú hấp thụ một lượng uran khoảng 3ppm (parts per million) từ nước biển vào bộ xương của chúng lúc Hỡnh thành. Thời
điểm đú gọi là thời điểm Zero. Do đú, nếu biết lượng 230Th và 234U ta cú thể xỏc định được khoảng thời gian trụi qua tớnh từ lúc tạo thành xương san hụ, tức là tuổi của san hụ.
Theo kỹ thuật này, người ta đú xỏc định được tuổi của san hụ và đối chiếu với tuổi san hụ xỏc định bằng phương phỏp 14C.
Cỏc kết quả về tuổi san hụ ở Barbade thuộc biển Caraie, Đại Tõy Dương được cụng bố
trờn tạp chớ Nature cho thấy, càng lựi xa về quỏ khứ thỡ sai lệch tuổi theo năm lịch và theo
14C càng lớn.
Để chứng tỏ nhược điểm của phương phỏp cacbon phúng xạ trong việc xỏc định niờn đại, nhiều phũng thớ nghiệm ở Mỹ và Chừu Âu đú xỏc định tuổi san hụ vựng Thỏi Bỡnh Dương hoặc bằng kỹ thuật uran-thori, hoặc bằng kỹ thuật đếm số lớp lắng đọng từng năm trong những vựng trầm tớch phủ băng giỏ ở Groenland Đan Mạch. Coca là lớp trầm tớch trong hồ, biển và sụng lắng đọng khỏ đều đặn hàng năm thành từng lớp mỏng được bảo vệ dưới Cỏc lớp băng và được gọi là Cỏc "lớp năm trầm tớch" cú thểđếm được, tương tự nhưđếm số vũng cõy trong Cỏc thừn cõy.
Chớnh nhờ kết quả đo mới này, kết hợp với số liệu về vũng cõy mà người ta thấy rừ
những sai lệch trong Cỏc kết quảđo bằng kỹ thuật 14C .
Hỡnh 1.11 cho thấy càng lựi về xa quỏ khứ thỡ sự sai lệch giữa tuổi theo năm lịch và tuổi theo 14C càng lớn.
Với những hiểu biết hiện nay của chúng ta thỡ sự sai lệch giữa tuổi theo 14C và tuổi thực cú thể tới 2000 năm vào lúc 11.000 năm BP (BP : before present, nghĩa là trước hiện nay, và theo quy ước quốc tế, thỡ " hiện nay " được chọn là năm 1950), 3000 năm vào lúc 16.000 năm BP và 5000 năm vào lúc 30.000 năm BP. Núi chung, sai lệch vào cỡ 17%.
Ta hóy trở lại nguyờn nhõn làm sai lệch kết quả xỏc định niờn đại theo phương phỏp cacbon phúng xạ .
Khi xỏc định tuổi san hụ ở Cỏc đảo Barbade, Mururoa, Tahiti và Nouvelle Guinộ, người ta phỏt hiện ra rằng vào khoảng 30.000 và 20.000 năm BP thỡ tỷ số14C/12C lúc ấy lớn hơn bõy giờ 40 đến 50%. Ngoài ra, đối với tuổi dưới 9000 năm BP, những nghiờn cứu chi tiết Cỏc vũng cõy đú chứng tỏ rằng tỷ số14C/ 12C trong khi vẫn tiếp tục giảm, lại thỉnh thoảng cú những dao động thăng giỏng trong những khoảng thời gian cỡ vài trăm năm
Cỏc nghiờn cứu đú thấy rằng: Thăng giỏng về thành phần đồng vị của cacbon chủ yếu là do từ trường góy ra, nghĩa là gắn với hoạt động của Mặt Trời và từ trường Trỏi Đất.
Hỡnh 1.11.
Sự sai lệch của tuổi theo 14C
- Hoạt động của Mặt Trời: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thăng giỏng từ trường của Mặt Trời làm biến đổi dũng phụtụn trong tia vũ trụ sơ cấp tới mặt đất. Lúc khởi đầu của phản ứng hạt nhõn sinh ra cỏc nuclit vũ trụ (cỏc hạt nhõn cú nguồn gốc vũ trụ) như14C hay 10Be thỡ cỏc phụtụn này thực tế xỏc định tỷ suất sinh sản cỏc đồng vị đú. Người ta đó kiểm nghiệm tỷ suất này bằng cỏch so sỏnh độ biến thiờn của 14C đo được trong cỏc vũng cõy cú tuổi đến hàng nghỡn năm với độ biến thiờn của 10Be phõn tớch trong băng nam cực. Người ta thấy rằng: Hàm lượng cao của 2 đồng vịđú đều nằm trong thời gian tương ứng với cỏc cực tiểu của hoạt động của Mặt Trời, đú là thời gian "thiếu vắng" cỏc vết
đen Mặt Trời
- Ảnh hưởng của từ trường Trỏi Đất:
Sự giảm của tỷ số đồng vị 14 C/ 12C xảy ra chủ yếu ở vĩ độ thấp và giảm tương đối ớt ở
vựng cực. Đú là một bằng chứng nờu rừ vai trũ của từ trường Trỏi Đất mà thành phần nằm ngang cú giỏ trị cực đại ở xớch đạo. Giả thuyết là như sau : Nếu từ trường càng mạnh thỡ nú càng che chắn Trỏi Đất khỏi bức xạ vũ trụ và như vậy làm giảm cỏc tương tỏc tạo nờn 14 C. Mặt khỏc, nhất là nhờ cỏc cụng trỡnh của Jean Pierre Valet ở Viện Vật lý địa cầu Paris mà người ta đó biết rằng cường độ địa từ trường đó tăng tổng cộng gấp 2 trong thời gian giữa 30.000 và 10.000 năm BP. Người ta đó tớnh toỏn lý thuyết cỏc hiệu ứng của sự tăng địa từ
trường này và thấy rằng sự tăng của địa từ trường cú thể là lý do giảm của tỷ sốđồng vị 14C/