Khả năng xác định chính xác niên đại hoặc xác định tuổi của một cổ vật có thể cho chúng ta biết Trái Đất được hình thành khi nào, giúp vén màn bí mật về khí hậu trong quá khứ và cách con người thời tiền sử sống như thế nào. Vậy các nhà khoa học đã làm điều đó như thế nào?
Ảnh: James L. Amos via Getty
Theo các chuyên gia, xác định niên đại bằng carbon phóng xạ là phương pháp phổ biến nhất cho đến nay. Phương pháp này liên quan đến việc đo số lượng carbon-14, một đồng vị carbon phóng xạ - hoặc phiên bản của một nguyên tử có số lượng neutron khác. Carbon-14 có mặt khắp nơi trong môi trường. Thomas Higham, nhà khảo cổ học và chuyên gia xác định niên đại carbon phóng xạ tại Đại học Oxford, Anh, cho biết sau khi nó hình thành trên cao trong khí quyển, thực vật hít vào và động vật thở ra chúng.
Higham trả lời tờ Live Science rằng: “Tất cả những sinh vật sống đều có nó.”.
Trong khi dạng phổ biến nhất của carbon có 6 neutron, carbon-14 có thêm 2 neutron nữa. Điều đó đã làm cho đồng vị này của carbon nặng nề hơn và kém ổn định hơn hầu hết các dạng thông thường khác. Vì vậy sau hàng nghìn năm, carbon-14 cuối cùng cũng bị phá vỡ. Một trong số neutron của nó phân rã thành proton và electron. Trong khi các electron rời bỏ, các proton vẫn ở lại như một phần của nguyên tử. Với ít hơn 1 neutron và thêm 1 proton, đồng vị này của carbon phân rã thành nitơ.
Khi sinh vật chết đi, chúng ngừng hấp thụ carbon-14 và lượng còn lại trong cơ thể bắt đầu quá trình phân rã phóng xạ chậm. Các nhà khoa học biết mất bao lâu để một nửa lượng cacbon-14 nhất định bị phân hủy - khoảng thời gian được gọi là chu kỳ bán rã. Điều đó cho phép họ đo tuổi của một phần vật chất hữu cơ - cho dù đó là da hay bộ xương động vật, tro hay vòng cây - bằng cách đo tỷ lệ carbon-14 với carbon-12 còn lại trong đó và so sánh số lượng đó với carbon -14 chu kỳ bán rã.
Chu kỳ bán rã của carbon-14 là 5.730 năm, lý tưởng cho các nhà khoa học muốn nghiên cứu 50.000 năm lịch sử cuối cùng. Higham nói: “Về cơ bản, điều đó bao gồm phần thực sự thú vị của lịch sử loài người, nguồn gốc của nông nghiệp, sự phát triển của các nền văn minh: Tất cả những điều này xảy ra trong thời kỳ carbon phóng xạ”.
Brendan Culleton, trợ lý giáo sư nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm carbon phóng xạ tại Đại học Bang Pennsylvania, cho biết, các vật thể cũ hơn đã mất hơn 99% lượng carbon-14, vì vậy chúng có quá ít thông tin để tìm hiểu. Đối với các vật thể có tuổi thọ cao hơn, các nhà khoa học không sử dụng carbon-14 làm thước đo niên đại. Thay vào đó, họ thường quan sát những đồng vị phóng xạ của các nguyên tố khác hiện diện trong môi trường.
Đối với các vật thể cổ nhất thế giới, xác định niên đại bằng uranium-thorium-chì là phương pháp hữu ích nhất. Higham nói: “Chúng tôi sử dụng nó để xác định niên đại Trái Đất. Trong khi xác định niên đại bằng carbon phóng xạ chỉ hữu ích đối với những vật đã từng sống, các nhà khoa học có thể sử dụng phương pháp xác định niên đại uranium-thorium-chì để đo tuổi của các vật thể như đá. Trong phương pháp này, các nhà khoa học đo số lượng của nhiều loại đồng vị phóng xạ khác nhau, tất cả đều phân rã thành dạng chì ổn định. Các chuỗi phân rã riêng biệt này bắt đầu bằng sự phân hủy của uranium-238, uranium-235 và thorium-232.”
Uranium và thorium là những đồng vị rất lớn, chúng vỡ ra tại các đường nối. Tammy Rittenour, nhà địa chất học tại Đại học bang Utah, cho biết chúng luôn luôn không ổn định. Mỗi đồng vị trong số này có chu kỳ bán rã khác nhau, từ hàng ngày đến hàng tỷ năm, theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường. Cũng giống như xác định niên đại bằng carbon phóng xạ, các nhà khoa học tính toán tỷ lệ giữa các đồng vị này, so sánh chúng với chu kỳ bán rã tương ứng của chúng. Sử dụng phương pháp này, các nhà khoa học đã có thể xác định niên đại của hòn đá cổ xưa nhất mà các nhà khoa học có thể tìm thấy, đó là một tinh thể zircon 4,4 tỷ năm tuổi được tìm thấy ở Úc.
Cuối cùng, một phương pháp xác định niên đại khác cho các nhà khoa học biết không phải vật thể bao nhiêu tuổi mà là thời điểm nó tiếp xúc lần cuối với nhiệt hoặc ánh sáng mặt trời. Phương pháp này, được gọi là xác định niên đại phát quang, được các nhà khoa học địa lý ưa chuộng khi nghiên cứu những thay đổi của cảnh quan trong một triệu năm qua - họ có thể sử dụng nó để khám phá khi nào một sông băng hình thành hoặc rút đi, lắng đọng đá trên một thung lũng; hoặc khi một trận lụt đổ phù sa lên một lưu vực sông, Rittenour cho biết.
Khi các khoáng chất trong các loại đá và trầm tích này bị chôn vùi, chúng sẽ tiếp xúc với bức xạ phát ra từ các trầm tích xung quanh chúng. Bức xạ này đẩy các electron ra khỏi nguyên tử của chúng. Một số electron rơi trở lại nguyên tử, nhưng những electron khác bị mắc kẹt trong các lỗ trống hoặc các khuyết tật khác trong mạng lưới nguyên tử dày đặc xung quanh chúng. Phải tiếp xúc lần thứ hai với nhiệt hoặc ánh sáng mặt trời để đánh bật các electron này trở lại vị trí ban đầu của chúng. Đó chính xác là những gì các nhà khoa học làm. Chúng cho một mẫu tiếp xúc với ánh sáng, và khi các electron rơi trở lại nguyên tử, chúng phát ra nhiệt và ánh sáng, hoặc một tín hiệu phát quang.
Rittenour cho biết: “Vật thể đó được chôn càng lâu, thì nó càng tiếp xúc với nhiều bức xạ”. Về bản chất, các vật thể bị chôn vùi lâu ngày tiếp xúc với rất nhiều bức xạ sẽ có một lượng lớn các điện tử bị đẩy ra khỏi vị trí, chúng cùng nhau sẽ phát ra ánh sáng rực rỡ khi chúng quay trở lại nguyên tử của chúng, cô nói. Do đó, lượng tín hiệu phát quang cho các nhà khoa học biết vật thể đã bị chôn vùi trong bao lâu.
Việc xác định niên đại các đối tượng không chỉ quan trọng đối với việc tìm hiểu tuổi của thế giới và con người cổ đại sống. Các nhà khoa học pháp y sử dụng nó để giải quyết các tội ác, từ giết người đến giả mạo nghệ thuật. Việc xác định niên đại bằng carbon phóng xạ có thể cho chúng ta biết rượu vang hoặc rượu whisky hảo hạng đã được ủ trong bao lâu, và do đó liệu nó có bị làm giả hay không, Higham nói. "Có nhiều các ứng dụng khác nhau."
Vân Anh
(Lược dịch)