Định tuổi carbon-14 dựa trên một điều đơn giản: sinh vật còn sống luôn mang một tỷ lệ carbon-14 gần như cố định, khi chết thì ngừng nạp vào, và lượng carbon-14 sẵn có giảm đi một nửa sau khoảng 5.730 năm. Đo phần còn lại là suy ra thời gian đã trôi qua.
Phương pháp này được phát triển cuối thập niên 1940 và mang lại giải Nobel Hoá học cho người khởi xướng. Từ đó tới nay, gần như mọi niên đại khảo cổ trong vòng vài chục nghìn năm, từ lớp than bếp trong hang tới chiếc thuyền độc mộc dưới lòng sông, đều đi qua phòng thí nghiệm carbon-14. Hiểu nó vận hành ra sao giúp bạn đọc một con số niên đại mà không bị choáng, và biết lúc nào con số ấy đáng tin.
Carbon-14 sinh ra ở đâu và vì sao sinh vật nào cũng mang nó?
Carbon-14 sinh ra liên tục ở tầng cao khí quyển, nơi tia vũ trụ va vào các nguyên tử và tạo ra neutron. Neutron gặp nguyên tử nitơ-14, thứ chiếm phần lớn không khí, và biến nó thành carbon-14. Nguyên tử carbon mới này nhanh chóng kết hợp với oxy thành khí carbonic, trộn đều vào bầu khí quyển như mọi phân tử carbonic khác.
Cây xanh hút khí carbonic để quang hợp, nên trong thân, lá, hạt của cây có carbon-14 theo đúng tỷ lệ của không khí lúc đó. Động vật ăn cây, người ăn cả cây lẫn động vật, nên carbon-14 đi vào xương, tóc, da, vỏ trứng. Tỷ lệ này rất nhỏ: cứ khoảng một nghìn tỷ nguyên tử carbon mới có chừng một nguyên tử carbon-14, phần còn lại là carbon-12 và một ít carbon-13 bền vững.
Điểm then chốt là sự cân bằng. Carbon-14 luôn phân rã, nhưng khí quyển cũng luôn được bổ sung, nên tỷ lệ trong không khí giữ ở mức tương đối ổn định qua thời gian dài. Sinh vật còn sống liên tục trao đổi carbon với môi trường, vì vậy trong cơ thể nó tỷ lệ ấy cũng giữ gần bằng ngoài trời.
Khi sinh vật chết, đồng hồ bắt đầu chạy ra sao?
Khi cây bị đốn, con vật chết hay hạt lúa được gặt, việc trao đổi carbon dừng lại. Từ lúc đó không còn carbon-14 mới đi vào, còn carbon-14 đã có thì cứ phân rã dần, mỗi nguyên tử phát ra một hạt beta và trở lại thành nitơ-14. Carbon-12 thì không phân rã, nên tỷ lệ carbon-14 so với carbon-12 trong mẫu giảm dần theo thời gian.
Vì vậy carbon-14 đo thời điểm sinh vật ngừng trao đổi carbon, chứ không đo thời điểm người ta dùng nó. Một khúc gỗ đốn từ cây ba trăm tuổi, phần lõi đã ngừng sống từ hàng trăm năm trước khi cây bị đốn. Một mảnh than từ bếp lửa cho biết tuổi của cành củi, không trực tiếp cho biết năm bếp được đốt. Người làm khảo cổ phải luôn hỏi: mẫu này gắn với sự kiện mình quan tâm chặt tới đâu.
Từng nguyên tử phân rã lúc nào là ngẫu nhiên, không đoán được. Nhưng với hàng tỷ nguyên tử, tốc độ giảm của cả nhóm lại rất đều và không phụ thuộc nhiệt độ, áp suất hay hoá chất xung quanh. Chính sự đều đặn thống kê này biến carbon-14 thành một chiếc đồng hồ.
Chu kỳ bán rã khoảng 5.730 năm nghĩa là gì?
Chu kỳ bán rã là khoảng thời gian để một nửa số nguyên tử carbon-14 trong mẫu phân rã. Với carbon-14, con số được chấp nhận là khoảng 5.730 năm, sai số chừng 40 năm. Sau mỗi chu kỳ, phần còn lại lại giảm một nửa, nên lượng carbon-14 giảm theo kiểu nhân đôi ngược, không theo đường thẳng.
| Số chu kỳ đã trôi qua | Thời gian xấp xỉ | Carbon-14 còn lại so với lúc chết | Ý nghĩa khi đo |
|---|---|---|---|
| 1 | khoảng 5.700 năm | một nửa (50%) | đo dễ, sai số nhỏ |
| 2 | khoảng 11.500 năm | một phần tư (25%) | vẫn đo tốt |
| 4 | khoảng 23.000 năm | khoảng 6% | cần mẫu sạch, đo kỹ |
| 6 | khoảng 34.000 năm | khoảng 1,6% | nhiễm bẩn nhỏ đã làm lệch nhiều |
| 8 đến 9 | khoảng 46.000–52.000 năm | dưới 0,4% | sát giới hạn, nhiều phòng thí nghiệm chỉ ghi “lớn hơn” |
Có một chi tiết làm nhiều người bối rối: các bản báo cáo vẫn tính “tuổi carbon-14 quy ước” bằng chu kỳ bán rã cũ khoảng 5.568 năm, con số được dùng từ những năm đầu. Giới chuyên môn giữ nguyên quy ước này để mọi kết quả từ trước tới nay so được với nhau, rồi sửa sai lệch ở bước hiệu chỉnh sang năm lịch. Vì thế bạn không tự lấy con số trên báo cáo nhân lại theo 5.730 năm.
Phòng thí nghiệm đo carbon-14 bằng cách nào?
Có hai cách đo chính, khác nhau ở thứ được đếm và lượng mẫu cần.
Đếm phân rã
Cách cũ là đếm số hạt beta phát ra trong một khoảng thời gian, bằng máy đếm khí hoặc máy đếm nhấp nháy lỏng. Carbon-14 phân rã chậm nên mỗi gam carbon chỉ cho vài chục lần phân rã mỗi phút với mẫu còn mới, ít hơn nhiều với mẫu cổ. Muốn đủ số đếm, phòng thí nghiệm cần vài gam carbon và đo trong nhiều ngày.
Đếm nguyên tử bằng máy gia tốc
Cách hiện phổ biến là khối phổ kế gia tốc (AMS). Thay vì chờ nguyên tử phân rã, máy tách và đếm trực tiếp từng nguyên tử carbon-14 so với carbon-12 và carbon-13. Lượng mẫu cần chỉ vào khoảng một miligam carbon, tức là một hạt gạo cháy, một mẩu xương nhỏ hay vài sợi chỉ của tấm vải cũng đủ. Thời gian đo ngắn hơn và độ chính xác tốt hơn với mẫu rất cổ.
Hiệu chỉnh đồng vị bền
Mỗi loài cây hấp thụ carbon-14 hơi khác nhau so với carbon-12, do cơ chế quang hợp khác nhau. Phòng thí nghiệm đo thêm tỷ lệ carbon-13 để chuẩn hoá sự chênh này, rồi mới tính tuổi. Trên báo cáo, bạn sẽ thấy giá trị ấy ghi bằng ký hiệu delta carbon-13, kèm đơn vị phần nghìn.
Vì sao giới hạn chỉ khoảng 50.000 năm?
Sau khoảng tám, chín chu kỳ bán rã, lượng carbon-14 còn lại chưa tới nửa phần trăm so với ban đầu. Ở mức đó, chỉ cần một chút carbon hiện đại lọt vào mẫu, từ rễ cây, nước ngầm hay bụi trong phòng thí nghiệm, là đủ kéo tuổi trẻ đi hàng nghìn năm. Máy đo cũng có một mức nền riêng, nghĩa là ngay cả mẫu không còn chút carbon-14 nào vẫn cho ra một số đếm rất nhỏ.
Vì thế các phòng thí nghiệm thường đặt giới hạn thực tế khoảng 45.000 đến 50.000 năm, một số nơi với mẫu xử lý đặc biệt đẩy lên gần 55.000 năm. Mẫu cổ hơn sẽ được ghi dạng “lớn hơn bao nhiêu nghìn năm”, chứ không phải một con số cụ thể. Muốn đi xa hơn, người ta phải đổi sang đồng hồ khác như kali–argon, urani–thori hay phát quang.
Carbon-14 đo được vật liệu gì, và không đo được gì?
Đo được: than củi, gỗ, hạt và vỏ quả, xương còn chất keo (collagen), tóc, da, vải sợi tự nhiên, giấy, vỏ ốc, vỏ sò, than bùn, trầm tích có chất hữu cơ, cả lớp muội trên đáy nồi gốm.
Không đo trực tiếp được: đá, kim loại, đồ gốm nung (phần xương gốm không phải chất hữu cơ), hoá thạch đã khoáng hoá hoàn toàn. Với các vật này phải dùng mẫu hữu cơ nằm cùng lớp, hoặc phương pháp khác.
Đo được nhưng phải cẩn thận: vỏ sinh vật biển và cá nước ngọt, vì nguồn carbon của chúng không cân bằng với khí quyển; xương đã mất gần hết chất keo; gỗ từ cây sống rất lâu.
Ba điều cần nhớ khi gặp một niên đại carbon-14
Khi đọc một bài báo hay nhãn bảo tàng ghi niên đại carbon-14, bạn có thể tự kiểm nhanh bằng ba câu hỏi dưới đây.
- Con số là tuổi carbon thô (thường ghi BP, tính trước năm 1950) hay đã hiệu chỉnh sang năm lịch? Hai loại có thể lệch nhau vài trăm tới vài nghìn năm.
- Mẫu đo là gì và gắn với sự kiện được nói tới chặt tới đâu? Một hạt lúa cháy gắn với vụ gặt; một khúc gỗ lớn có thể già hơn công trình rất nhiều.
- Có bao nhiêu niên đại và chúng có khớp nhau không? Một con số đơn lẻ, dù chính xác, vẫn dễ sai vì mẫu lẫn lộn; nhiều mẫu cùng lớp cho cùng khoảng thời gian mới đáng tin.
Nếu thông tin không trả lời được ba câu này, hãy coi con số là một ước lượng, chưa phải kết luận.
Câu hỏi thường gặp
Carbon-14 có dùng được cho mọi loại cổ vật không?
Không. Carbon-14 chỉ đo vật liệu từng là sinh vật sống như gỗ, than, xương, vải, hạt. Đá, kim loại và phần đất nung của đồ gốm phải dùng phương pháp khác hoặc dựa vào mẫu hữu cơ cùng lớp.
Tuổi carbon-14 tính từ năm nào?
Theo quy ước quốc tế, tuổi carbon-14 ghi bằng BP, nghĩa là số năm trước năm 1950. Mốc này được chọn vì lúc đó phương pháp vừa ra đời và trước khi thử vũ khí hạt nhân làm xáo trộn lượng carbon-14 trong khí quyển.
Vì sao báo cáo dùng chu kỳ bán rã 5.568 năm chứ không phải 5.730 năm?
Đó là quy ước giữ từ những năm đầu để mọi kết quả so được với nhau. Sai lệch được xử lý ở bước hiệu chỉnh sang năm lịch, nên người đọc không tự quy đổi lại.
Cần bao nhiêu mẫu để định tuổi carbon-14?
Với máy gia tốc AMS, chỉ cần khoảng một miligam carbon sau xử lý, tương đương một mẩu than nhỏ hay một hạt ngũ cốc cháy. Phương pháp đếm phân rã cũ cần vài gam carbon.
Nhiệt độ hay môi trường chôn vùi có làm carbon-14 phân rã nhanh hơn không?
Không. Tốc độ phân rã phóng xạ không đổi theo nhiệt độ, áp suất hay hoá chất. Môi trường chỉ ảnh hưởng ở chỗ có thể làm mẫu nhiễm carbon lạ, làm sai kết quả đo.