Ở tốc độ rất ổn định, carbon-14 không ổn định dần dần phân hủy thành carbon-12. Tỷ lệ của các đồng vị carbon này cho thấy tuổi của một số cư dân lâu đời nhất Trái đất.
Các tia vũ trụ bắn phá bầu khí quyển Trái đất, tạo ra đồng vị carbon-14 không ổn định. Đồng vị này cho phép các nhà khoa học tìm hiểu thời đại của những thứ sống một lần. Hình ảnh qua Ethan Siegel / Simon Swordy / NASA.
Hẹn hò với radiocarbon là một kỹ thuật được các nhà khoa học sử dụng để tìm hiểu thời đại của các mẫu vật sinh học - ví dụ, các cổ vật khảo cổ bằng gỗ hoặc hài cốt người cổ đại - từ quá khứ xa xôi. Nó có thể được sử dụng trên các vật thể có tuổi đời khoảng 62.000 năm. Ở đây, cách thức hoạt động của nó.
Đồng vị là gì?
Để hiểu hẹn hò với radiocarbon, trước tiên bạn phải hiểu từ này đồng vị.
Đồng vị là thứ mà các nhà khoa học gọi là hai hoặc nhiều dạng của cùng một nguyên tố. Nếu bạn có thể nhìn vào các nguyên tử của hai đồng vị khác nhau, bạn sẽ tìm thấy số lượng bằng nhau của proton nhưng số lượng khác nhau của neutron trong các nguyên tử nhân tế bào hoặc cốt lõi.
Vì vậy, có một sự khác biệt trong khối lượng nguyên tử tương đối của hai đồng vị. Nhưng chúng vẫn có cùng tính chất hóa học. Một nguyên tử carbon là một nguyên tử carbon là một nguyên tử carbon
Mặc dù một nguyên tố Số lượng proton không thể thay đổi, số lượng neutron có thể thay đổi đôi chút trong mỗi nguyên tử. Các nguyên tử của cùng một nguyên tố có số nơtron khác nhau được gọi là đồng vị. Dưới đây, một ví dụ sử dụng nguyên tử đơn giản nhất là hydro. Hẹn hò với radiocarbon sử dụng các đồng vị của nguyên tố carbon. Hình ảnh qua lớp học khoa học lớp 8 của thầy Gotney.
Hẹn hò với radiocarbon sử dụng đồng vị carbon.
Hẹn hò với radiocarbon phụ thuộc vào các đồng vị carbon carbon-14 và carbon-12. Các nhà khoa học đang tìm kiếm tỉ lệ của hai đồng vị đó trong một mẫu.
Hầu hết carbon trên Trái đất tồn tại dưới dạng đồng vị carbon-12 rất ổn định, với lượng rất nhỏ là carbon-13.
Carbon-14 là một đồng vị carbon không ổn định, cuối cùng sẽ phân rã với tốc độ đã biết để trở thành carbon-12.
Các tia vũ trụ - các hạt năng lượng cao từ bên ngoài hệ mặt trời - bắn phá bầu khí quyển trên Trái đất liên tục, trong quá trình tạo ra carbon-14 không ổn định. Carbon-14 được coi là một phóng xạ đồng vị của cacbon. Bởi vì nó không ổn định, carbon-14 cuối cùng sẽ phân rã trở lại đồng vị carbon-12. Bởi vì sự bắn phá của tia vũ trụ là khá ổn định, nên có một tỷ lệ carbon-14 và carbon-12 gần như không đổi trong bầu khí quyển Trái đất.
Các sinh vật ở cơ sở của chuỗi thức ăn quang hợp - ví dụ, thực vật và tảo - sử dụng carbon trong bầu khí quyển Trái đất. Chúng có cùng tỷ lệ carbon-14 so với carbon-12 như bầu khí quyển, và tỷ lệ tương tự này sau đó được đưa lên chuỗi thức ăn cho đến những kẻ săn mồi đỉnh, như cá mập.
Nhưng khi quá trình trao đổi khí bị dừng lại, ở một bộ phận đặc biệt của cơ thể như lắng đọng trong xương và răng, hoặc khi toàn bộ sinh vật chết đi, tỷ lệ carbon-14 so với carbon-12 bắt đầu giảm. Carbon-14 không ổn định dần dần phân rã thành carbon-12 với tốc độ ổn định.
Và đó là chìa khóa để hẹn hò với radiocarbon. Các nhà khoa học đo tỷ lệ các đồng vị carbon để có thể ước tính khoảng thời gian một mẫu sinh học đã hoạt động hoặc còn sống.
Biểu đồ này cho thấy mức độ carbon-14 trong khí quyển được đo ở New Zealand (màu đỏ) và Áo (màu xanh lá cây), đại diện cho Nam và Bắc bán cầu, tương ứng. Thử nghiệm hạt nhân trên mặt đất gần như tăng gấp đôi lượng carbon-14 trong khí quyển. Đó là lý do tại sao thử nghiệm hạt nhân trên mặt đất đã bị cấm. Mũi tên đen cho thấy khi Hiệp ước cấm thử nghiệm một phần được ban hành đã cấm các vụ thử hạt nhân trên mặt đất. Hình ảnh qua Hokanomono qua Wikimedia Commons.
Một loại niên đại đặc biệt của radiocarbon: Hẹn hò với radiocarbon Bomb.
Như chúng tôi đã đề cập ở trên, tỷ lệ carbon-14 so với carbon-12 trong khí quyển gần như không đổi. Nó không hoàn toàn không đổi do một số biến số ảnh hưởng đến mức độ của các tia vũ trụ tới bầu khí quyển, chẳng hạn như cường độ dao động của từ trường Trái đất, chu kỳ mặt trời ảnh hưởng đến lượng tia vũ trụ đi vào hệ mặt trời, thay đổi khí hậu và hoạt động của con người. Trong số các sự kiện quan trọng gây ra sự tăng đột biến tạm thời nhưng có ý nghĩa trong tỷ lệ carbon-14 so với carbon-12 trong khí quyển là các vụ nổ thử hạt nhân trên mặt đất trong hai thập kỷ sau Thế chiến II.
Bom phóng xạ hẹn hò là một thuật ngữ để xác định niên đại bằng carbon phóng xạ dựa trên dấu thời gian do các vụ nổ hạt nhân trên mặt đất để lại, và nó đặc biệt hữu ích trong việc đặt tuổi tuyệt đối cho các sinh vật sống qua các sự kiện đó. Trong Câu chuyện vũ trụ của Carbon-14 Ethan Siegel viết:
Biến động lớn duy nhất mà chúng ta biết đã xảy ra khi chúng ta bắt đầu kích nổ vũ khí hạt nhân ngoài trời, vào giữa thế kỷ 20. Nếu bạn từng thắc mắc tại sao các vụ thử hạt nhân hiện được thực hiện dưới lòng đất thì đây là lý do.
Hầu hết các carbon phóng xạ ngày nay được thực hiện bằng máy quang phổ khối máy gia tốc, một dụng cụ đếm trực tiếp số lượng carbon-14 và carbon-12 trong một mẫu.
Một mô tả chi tiết về niên đại carbon phóng xạ có sẵn tại trang web hẹn hò radiocarbon Wikipedia.
Điểm mấu chốt: Hẹn hò với radiocarbon là một kỹ thuật được các nhà khoa học sử dụng để tìm hiểu thời đại của mẫu vật sinh học từ quá khứ xa xôi.