Vì sao carbon có thể dùng để xác định tuổi của hóa thạch?

Đồng vị carbon là gì?

Các nguyên tử trong một số nguyên tố hóa học luôn tồn tại các dạng khác nhau, gọi là đồng vị. Các đồng vị sẽ có cùng số proton và electron nhưng khác về số neutron.

Đồng vị được phân ra làm hai dạng là đồng vị bền (đồng vị ổn định) và đồng vị phóng xạ (đồng vị không ổn định). Đồng vị phóng xạ có tính phóng xạ, nghĩa là hạt nhân của nó không bền vững và sẽ bị biến đổi. Đồng vị phóng xạ được sử dụng để xác định tuổi của những hóa thạch có chu kỳ bán rã rất dài.

Với carbon, có 3 đồng vị chính là carbon-12 (C12), carbon-13 (C13), carbon-14 (C14). Carbon-12 có 6 proton và 6 neutron. Carbon-13 có 6 proton và 7 neutron. Carbon-14 có 6 proton và 8 neutron. Trong đó, carbon-12 và carbon-13 là đồng vị bền, còn carbon-14 là đồng vị phóng xạ.

Carbon-14 là một đồng vị không ổn định của carbon và có tính phóng xạ yếu. Carbon-14 luôn được tạo ra ở các tầng trong khí quyển do các tia trong vũ trụ. Carbon-14 này lại trải qua các phản ứng hoá học để tạo thành CO₂, từ đó được các sinh vật hấp thụ trong quá trình trao đổi chất.

Các sinh vật sống liên tục trao đổi carbon-12 và carbon-14 từ CO₂ trong suốt cuộc đời của chúng. Trong bầu khí quyển của chúng ta, khoảng 99% carbon là carbon-12, chỉ có một lượng nhỏ carbon-14 và lượng carbon-14 trong bất kỳ sinh vật sống nào cũng khá ổn định. Trên thực tế, carbon trong cơ thể chúng ta có mối tương quan với lượng carbon-12 và carbon-14 trong khí quyển. 

Việc xác định niên đại của hóa thạch bằng carbon xem xét hai loại carbon xuất hiện tự nhiên trên Trái đất là carbon-12 và carbon-14.

Xác định niên đại bằng đồng vị carbon-14

Trong hợp chất hữu cơ luôn tồn tại carbon, do đó phương pháp xác định niên đại tuyệt đối của hóa thạch được sử dụng khi cần xác định tuổi tuyệt đối của một mẫu vật hữu cơ. Phương pháp này được khám phá bởi Tiến sĩ người Mỹ Willard Frank Libby (1908 - 1980) vào năm 1940 và đã mang về cho ông giải Nobel Hoá học năm 1960. Nguyên lý hoạt động của phương pháp này như sau.

● Các đồng vị phóng xạ phân hủy với tốc độ không đổi theo thời gian thông qua quá trình phân rã phóng xạ. Bằng cách đo tỉ lệ giữa lượng đồng vị ban đầu với lượng đồng vị mà nó phân rã có thể xác định được niên đại.   

● Chúng ta xác định tốc độ phân rã phóng xạ trong chu kỳ bán rã. Chẳng hạn, nếu một đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã 5.000 năm, có nghĩa là sau 5.000 năm, một nửa trong số đó sẽ phân rã từ đồng vị mẹ thành đồng vị con. Sau đó 5.000 năm nữa, một nửa đồng vị gốc còn lại sẽ phân hủy.

● Đồng vị carbon-14 là đồng vị phóng xạ có chu kì bán rã là 5.730 năm ± 40. Hiểu đơn giản, nếu bạn có 4 hạt C14, sau 5.730 năm, chỉ còn lại 2 hạt (hoặc 1 gram còn 0,5 gram chẳng hạn).

● Khi một sinh vật sống, chúng sẽ có cùng lượng carbon-12 và carbon-14 trong khí quyển hoặc đại dương (đối với sinh vật dưới nước) tại thời điểm đó.

● Khi một sinh vật chết đi, chúng sẽ ngừng hấp thụ carbon từ khí quyển, hàm lượng carbon-14 bên trong chúng bắt đầu giảm xuống với tốc độ có thể dự đoán được bởi quá trình phân rã phóng xạ.

● Người ta tiến hành đo phân rã phóng xạ C14 của mẫu vật, từ đó biết được tuổi của mẫu vật bằng cách so sánh tỉ lệ C14 với C12. Chẳng hạn, nếu bầu khí quyển có C14/C12 là 0,01%, sau đó C14/C12 là 0,005% có nghĩa là sinh vật đã chết khoảng 5.730 năm trước. Điều này do C-14 phân hủy thành N-14 với chu kỳ bán rã 5.730 năm. Sau đó, ở tuổi 11.460, C-14 sẽ giảm xuống còn 0,0025%. Nhìn chung, C-12 trong hóa thạch không đổi. Nhưng cứ sau 5.730 năm, một nửa số C-14 lại phân rã.

Tuy nhiên, phương pháp này thường không dùng cho các mẫu vật hóa thạch có niên đại ước lượng hơn 50.000 năm vì lúc này, lượng C14 còn lại không đủ để xác định niên đại một cách chính xác, đáng tin cậy về thời tiền sử, lúc này người ta sẽ lại dùng một phương pháp khác.