Cách tính tuổi của mẫu cổ vật
Tính tuổi mẫu cổ bằng carbon phóng xạ C14
Cách tính tuổi của mẫu cổ vật bằng phương pháp định tuổi bằng cacbon phóng xạ C14 là một trong những kỹ thuật khoa học quan trọng được sử dụng rộng rãi trong khảo cổ học, địa chất học và nghiên cứu lịch sử. Phương pháp này dựa trên chu kì bán rã của đồng vị C14, cho phép xác định chính xác thời gian tồn tại của xương, gỗ, than, mô hữu cơ… từ vài trăm đến hàng chục nghìn năm. Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ nguyên lý – công thức tính – ví dụ minh họa theo cách đơn giản, trực quan và chuẩn kiến thức khoa học.
A. Các phương pháp tính tuổi của mẫu cổ vật
Ta có thể dựa vào các phương pháp:
Phương pháp 1. Dựa theo tỉ lệ khối lượng của chất sinh ra và khối lượng của chất phóng xạ còn lại.
Phương pháp 2. Dựa theo tỉ số giữa hai chất phóng xạ có chu kì khác nhau.
Phương pháp 3. Dựa theo độ phóng xạ.
- Độ phóng xạ (số nguyên tử, khối lượng) giảm n lần
\(\rightarrow\) \(\frac{H_{0}}{H_{}} = 2^{\frac{t}{T}} =
n\) - Độ phóng xạ (số nguyên tử, khối lượng) giảm (mất đi) n% \(\rightarrow\) \(\frac{\Delta H}{H_{0}} = 1 - 2^{- \frac{t}{T}} =
n\)%
- Tính tuổi : H = \(H_{0}.2^{-
\frac{t}{T}}\) , với \(H_{0}\) bằng độ phóng xạ của thực vật sống tương tự, cùng khối lượng.
- Số nguyên tử (khối lượng) đã phân rã : \(\Delta N = N_{0}(1 - 2^{- \frac{t}{T}})\), có thể dựa vào phương trình phản ứng để xác định số hạt nhân đã phân rã bằng số hạt nhân tạo thành.
B. Ví dụ minh họa tính tuổi mẫu vật
Ví dụ: Trong khí quyển có đồng vị 14C là chất phóng xạ với chu kì bán rã T = 5568 năm. Mọi thực vật sống trên Trái Đất hấp thụ cacbon đều chứa một lượng 14C cân bằng. Trong một mẫu gỗ cổ có 14C với độ phóng xạ 112 phân rã/phút. Cho biết độ phóng xạ 14C của một mẫu gỗ còn sống cùng khối lượng với mẫu gỗ cổ là 216 phân rã/ phút. Tuổi của mẫu gỗ này bằng bao nhiêu năm?
Hướng dẫn giải
Ta có: H = H0.e-λt
Độ phóng xạ ban đầu 14C chứa trong mẫu gỗ cổ coi như bằng bằng độ phóng xạ của 14C ở thực vật sống: H0 = 216 phân rã/phút.
Từ công thức độ phóng xạ H lấy ln hai về ta được
\(t = \frac{1}{\lambda}.\ ln\frac{H_{0}}{H}
= \frac{T}{ln2}\ .\ \ ln\frac{H_{0}}{H} = 5277\) năm
C. Đồng vị Carbon \(\ _{6}^{14}C\)
Năm 1947, Willand Frank Libby đã tìm ra phương pháp xác định niên đại của các cổ vật gốc hữu cơ, dựa vào các đặc tính của đồng vị phóng xạ Carbon \(\ _{6}^{14}C\). Đồng vị \(\ _{6}^{14}C\) có chu kì bán rã là 5730 năm. Sự phân rã này cân bằng với sự tạo ra \(\
_{6}^{14}C\) trong khí quyển nên từ hàng vạn năm nay, mật độ của \(\ _{6}^{14}C\) trong khí quyển không đổi.
Kí hiệu K(14) là tỉ lệ số nguyên tử của tất cả các đồng vị carbon và số nguyên tử đồng vị \(\
_{6}^{14}C\) của một mẫu chất. Trong không khí \(K(14) \approx 10^{12}\), tỉ lệ này giữ không đổi trong các sinh vật còn sống
Quy trình hình thành \(\
_{6}^{14}C\) trên Trái Đất
Khi thực vật chết đi, không còn hấp thụ \(CO_{2}\) trong không khí và \(\ _{6}^{14}C\) không còn tái sinh trong thực vật đó nữa. Vì \(\ _{6}^{14}C\) phóng xạ nên số lượng \(\ _{6}^{14}C\) giảm dần trong thực vật đó. Nói cách khác, tỉ lệ K(14) trong thực vật đang xét giảm đi so với tỉ lệ đó trong không khí. So sánh hai tỉ lệ đó cho phép ta xác định thời gian từ lúc thực vật đó chết cho đến nay.
Động vật ăn thực vật nên tỉ lệ K(14) trong cơ thể cũng giảm sau khi chết. Vì vậy có thể xác định tuổi các mẫu xương động vật tìm được trong các di chỉ khảo cổ bằng phương pháp này.
Ngoài phương pháp xác định tổi các mẫu vật có nguồn gốc hữu cơ dựa vào tính chất phóng xạ \(\ _{6}^{14}C\) người ta còn sử dụng nhiều phương pháp khác để xác định tuổi các mẫu vật vô cơ dựa vào tính chất phóng xạ của \(\
_{92}^{238}U;_{19}^{40}K;_{17}^{36}Cl;...\)
-----------------------------------------------------
Hy vọng bài viết đã giúp bạn hiểu rõ cách tính tuổi của mẫu cổ vật bằng phương pháp C14, từ nguyên lý phân rã phóng xạ đến công thức và các bước xác định tuổi mẫu vật. Đây là kiến thức quan trọng không chỉ trong khoa học tự nhiên mà còn trong lịch sử và khảo cổ. Hãy tiếp tục theo dõi các bài viết chuyên sâu khác để mở rộng hiểu biết và nâng cao khả năng ứng dụng kiến thức trong học tập cũng như nghiên cứu.
