Các nhà khoa học xác định niên đại của một vật thể như thế nào?

  •  
  • 417

Khả năng xác định chính xác niên đại hoặc tuổi của một vật thể có thể cho chúng ta biết các mô hình khí hậu trong quá khứ và cho chúng ta biết con người ban đầu sống như thế nào.

Theo các chuyên gia, việc 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. Carbon-14 có mặt khắp nơi trong môi trường.

Trong khi dạng phổ biến nhất của carbon có sáu neutron, thì carbon-14 có thêm hai. Điều đó làm cho đồng vị nặng hơn và kém ổn định hơn nhiều so với dạng carbon phổ biến nhất. Vì vậy, sau hàng nghìn năm, carbon-14 cuối cùng bị phá vỡ. Một trong các neutron của nó tách thành một proton và một electron. Trong khi electron thoát ra, proton vẫn là một phần của nguyên tử. Với một neutron ít hơn và một proton nữa, đồng vị này phân rã thành nitơ.

Hóa thạch của Archaeopteryx, loài chim cổ nhất từng được ghi nhận.
Hóa thạch của Archaeopteryx, loài chim cổ nhất từng được ghi nhận.

Khi sinh vật chết đi, chúng ngừng hấp thụ carbon-14 và lượng còn lại trong cơ thể chúng bắt đầu quá trình phân rã phóng xạ chậm. Các nhà khoa học biết thời gian để một nửa lượng cacbon-14 nhất định bị phân hủy 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.

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. 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.

Brendan Culleton, trợ lý giáo sư nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Carbon phóng xạ thuộc Đại học Bang Pennsylvania, cho biết, những vật thể cổ hơn đã mất hơn 99% lượng carbon-14, để lại quá ít để phát hiện. Đối với các vật thể cổ hơn, các nhà khoa học không sử dụng carbon-14 làm thước đo tuổi. Thay vào đó, họ thường tìm đến các đồng vị phóng xạ của các nguyên tố khác có trong môi trường.

Đối với các vật thể cổ nhất thế giới, xác định niên đại bằng Uranium-thorium-lead là phương pháp hữu ích nhất.

Các nhà khoa học cho biết: "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 liệu từng còn sống, các nhà khoa học có thể sử dụng phương pháp xác định niên đại Uranium-thorium-lead để đo tuổi của các vật thể như đá. Trong phương pháp này, có thể 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".

Tammy Rittenour, một nhà địa chất tại Đại học Bang Utah, cho biết: "Uranium và thorium là những đồng vị lớn, chúng bùng phát tại các vỉa bà luôn không ổn định".

Các "đồng vị mẹ '' này phân hủy thành một dãy đồng vị phóng xạ khác nhau trước khi chúng biến thành chì. Mỗi đồng vị có chu kỳ bán rã khác nhau, từ vài ngày đến hàng tỷ năm. Để xác định niên đại của 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. Sử dụng phương pháp này, các nhà khoa học có thể xác định niên đại của loại đá lâu đời nhất từng được phát hiện đó là một tinh thể zircon 4,4 tỷ năm tuổi được tìm thấy ở Úc.

Cuối cùng là một phương pháp xác định niên đại 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.

Khi các khoáng chất trong các loại đá và trầm tích 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 trở lại nguyên tử, nhưng những electron khác bị mắc kẹt trong các lỗ trống hoặc các chỗ 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.

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. Do đó, lượng tín hiệu phát quang cho các nhà khoa học biết vật thể đã bị chôn vùi trong bao lâu.

Các đối tượng xác định niên đại không chỉ quan trọng đối với việc tìm hiểu tuổi của thế giới và cách con người cổ đại sống. Các nhà khoa học pháp y còn sử dụng nó để giải quyết các vấn đề liên quan đến tội phạm hay các vụ án. Việc xác định niên đại bằng cacbon phóng xạ thậm chí có thể cho chúng ta biết rượu vang hoặc rượu whisky hảo hạng đã được ủ trong bao lâu, liệu nó có bị làm giả hay không.

Cập nhật: 12/01/2021 Theo Dân Trí
  • 417

Theo dõi cộng đồng KhoaHoc.tv trên facebook