Phát quang đo lượng năng lượng mà tinh thể thạch anh hay fenspat tích luỹ từ phóng xạ tự nhiên kể từ lần cuối nó bị nung nóng (TL) hoặc phơi sáng (OSL). Chia tổng liều ấy cho liều nhận mỗi năm là ra tuổi, thường từ vài trăm tới khoảng vài trăm nghìn năm, sai số chừng 5–10%.
Carbon-14 cần chất hữu cơ, kali–argon cần đá núi lửa. Còn rất nhiều di chỉ chỉ có mảnh gốm, bếp lò bằng đất nung hay những lớp cát, phù sa không chứa gì để đo. Phương pháp phát quang ra đời để lấp chỗ trống đó. Nó không dựa vào phân rã của một đồng vị trong mẫu, mà dựa vào dấu vết phóng xạ để lại trong tinh thể, giống như một chiếc đồng hồ đếm liều.
Phát quang dựa trên nguyên lý nào?
Đất, đá và gốm luôn chứa một lượng nhỏ urani, thori và kali phóng xạ, cộng thêm tia vũ trụ từ trên xuống. Bức xạ này liên tục bắn vào các tinh thể thạch anh và fenspat, làm một số electron bị bật ra và mắc kẹt trong các khuyết tật của mạng tinh thể. Thời gian càng lâu, số electron bị kẹt càng nhiều, như một chiếc bình hứng nước mưa.
Khi tinh thể bị nung nóng đủ mạnh hoặc bị phơi dưới ánh sáng, các electron ấy được giải phóng và phát ra một lượng ánh sáng rất yếu. Đó là lúc chiếc bình bị đổ hết nước và đồng hồ được đặt lại về không. Sau đó, nếu tinh thể bị chôn trong bóng tối, quá trình tích luỹ bắt đầu lại.
Trong phòng thí nghiệm, người ta kích thích tinh thể để nó phát hết ánh sáng tích luỹ, đo cường độ ánh sáng bằng ống nhân quang rất nhạy, rồi so với ánh sáng phát ra khi chiếu cho chính mẫu đó một liều phóng xạ đã biết. Từ đó tính ra tổng liều mà mẫu đã nhận kể từ lần đặt lại, gọi là liều tương đương.
Ánh sáng phát ra yếu tới mức mắt thường không thấy, và mỗi mẫu chỉ cho đo một lần vì tín hiệu bị xoá ngay khi đo. Vì vậy người ta chia mẫu thành nhiều đĩa nhỏ, có khi đo hàng trăm hạt riêng lẻ, rồi xem phân bố các giá trị liều để biết mẫu đồng đều hay lẫn nhiều nhóm hạt có lịch sử khác nhau.
TL và OSL khác nhau ở đâu?
Hai phương pháp chung một nguyên lý, khác nhau ở cách đồng hồ được đặt lại và cách đo.
Phát quang nhiệt (TL)
Đồng hồ được đặt lại bằng nhiệt. Gốm khi nung, đá lát bếp, đất nung lò đúc, đá lửa bị rơi vào bếp đều đã bị nung đủ nóng để xoá sạch tín hiệu cũ. TL đo bằng cách đun mẫu tăng dần nhiệt độ và ghi ánh sáng phát ra. Vì vậy TL trả lời câu hỏi: vật này được nung lần cuối khi nào.
Phát quang kích thích quang học (OSL)
Đồng hồ được đặt lại bằng ánh sáng mặt trời. Hạt cát bị gió thổi, nước cuốn trên mặt đất sẽ phơi nắng đủ lâu để mất tín hiệu; khi bị vùi xuống dưới lớp đất mới, đồng hồ chạy lại. OSL đo bằng cách chiếu ánh sáng xanh lam hoặc hồng ngoại vào mẫu. Nó trả lời câu hỏi: lớp cát này bị vùi khỏi ánh sáng khi nào.
Công thức tuổi và các thành phần của nó
Tuổi phát quang được tính bằng một phép chia đơn giản. Cái khó nằm ở việc đo từng thành phần cho chính xác.
| Thành phần | Ý nghĩa | Đo bằng cách nào | Nguồn sai số chính |
|---|---|---|---|
| Liều tương đương | tổng liều phóng xạ mẫu nhận từ lần đặt lại | đo phát quang, so với liều chiếu chuẩn trong phòng thí nghiệm | hạt chưa được xoá sạch tín hiệu, tín hiệu suy giảm theo thời gian |
| Suất liều hằng năm | liều mẫu nhận mỗi năm từ môi trường | đo hàm lượng urani, thori, kali trong mẫu và đất xung quanh, cộng phần tia vũ trụ | độ ẩm thay đổi, môi trường chôn không đồng đều |
| Tuổi | liều tương đương chia cho suất liều | phép chia | cộng dồn sai số hai thành phần, thường 5–10% |
Đơn vị liều là gray. Một mẫu nhận khoảng 3 miligray mỗi năm và có liều tương đương 30 gray thì đã bị vùi khoảng 10.000 năm. Con số minh hoạ này cho thấy mỗi thành phần chỉ lệch vài phần trăm là tuổi lệch hàng trăm năm.
Phát quang đo được khoảng thời gian nào?
Giới hạn dưới phụ thuộc vào độ nhạy của mẫu: với gốm và trầm tích tốt, có thể đo từ vài trăm năm, thậm chí vài chục năm. Giới hạn trên phụ thuộc vào lúc các bẫy electron bị lấp đầy, không chứa thêm được nữa. Với thạch anh, giới hạn thường vào khoảng một trăm tới hai trăm nghìn năm; fenspat và các kỹ thuật mở rộng có thể đi xa hơn, tới vài trăm nghìn năm, nhưng phải xử lý hiện tượng tín hiệu tự suy giảm theo thời gian.
Như vậy phát quang phủ đúng khoảng mà khảo cổ tiền sử cần: từ thời đồ đá cũ tới các thời kỳ lịch sử. Nó cũng vượt giới hạn 50.000 năm của carbon-14, rất hữu ích cho những di chỉ có dấu vết người hiện đại đầu tiên ở Đông Nam Á, vốn thường nằm ở biên khoảng tuổi mà carbon-14 làm được.
Ở vùng nhiệt đới như Việt Nam, phát quang còn có một lợi thế thực tế: than và xương thường phân huỷ, còn hạt thạch anh trong đất thì bền gần như vô hạn. Một lớp cát chứa công cụ đá trong hang hay dưới mái đá, nếu không còn chút than nào, vẫn có thể cho một niên đại OSL. Đổi lại, khí hậu nóng ẩm, mùa mưa và mực nước ngầm lên xuống làm việc ước tính suất liều khó hơn, nên sai số ở các di chỉ nhiệt đới thường nghiêng về phía cao của khoảng 5–10%.
Khi nào kết quả phát quang dễ sai?
Đồng hồ chưa được đặt lại hoàn toàn. Cát bị nước đục cuốn đi nhanh, phơi nắng không đủ, vẫn giữ lại tín hiệu cũ; tuổi đo được sẽ già hơn thật. Kỹ thuật đo từng hạt riêng lẻ giúp nhận ra các hạt chưa được xoá sạch.
Độ ẩm của đất. Nước hấp thụ bớt bức xạ. Một lớp đất từng ngập nước lâu dài nhận ít liều hơn mỗi năm so với lúc khô. Ước tính sai độ ẩm trung bình qua thời gian là một nguồn sai lớn ở vùng nhiệt đới.
Mẫu bị phơi sáng khi lấy. Chỉ vài phút ánh nắng cũng đủ xoá một phần tín hiệu OSL. Vì thế mẫu được lấy bằng ống kim loại đóng vào vách, bịt kín hai đầu, hoặc lấy vào ban đêm dưới đèn đỏ, và mở ra trong phòng tối.
Gốm bị nung lại. Gốm rơi vào đám cháy sau này sẽ cho tuổi của đám cháy, không phải lúc làm gốm.
Phát quang trong khảo cổ và địa chất: ứng dụng phổ biến
- Định tuổi mảnh gốm trong các lớp không có than hay xương.
- Định tuổi lò nung, bếp, nền đất bị đốt.
- Định tuổi các lớp cát, phù sa, cồn cát ven biển để dựng lại lịch sử bờ biển và dòng sông.
- Định tuổi các lớp trầm tích trong hang có công cụ đá nhưng không còn chất hữu cơ.
- Kiểm tra một món đồ gốm có thực sự được nung từ lâu hay mới làm gần đây, dù kết quả loại này cần thận trọng vì đồ giả có thể bị chiếu xạ nhân tạo.
Trong mọi trường hợp, phát quang cho kết quả tốt nhất khi được đối chiếu với carbon-14 hoặc phương pháp khác trên cùng chuỗi địa tầng.
Câu hỏi thường gặp
TL và OSL khác nhau ở điểm nào?
TL đo thời điểm vật được nung nóng lần cuối, hợp với gốm, bếp, lò. OSL đo thời điểm hạt cát bị vùi khỏi ánh sáng mặt trời lần cuối, hợp với trầm tích.
Định tuổi phát quang có sai số bao nhiêu?
Thường khoảng 5 đến 10 phần trăm của tuổi đo được, vì phải cộng sai số của liều tương đương và của suất liều phóng xạ hằng năm từ môi trường.
Vì sao mẫu OSL phải lấy trong bóng tối?
Vì chỉ vài phút ánh sáng cũng xoá một phần tín hiệu tích luỹ trong hạt cát, làm tuổi trẻ đi. Mẫu được lấy bằng ống kín và mở trong phòng tối dưới đèn đỏ.
Phát quang đo được mẫu cổ tới đâu?
Với thạch anh thường khoảng một trăm tới hai trăm nghìn năm; fenspat và kỹ thuật mở rộng có thể xa hơn. Giới hạn đến từ lúc các bẫy electron trong tinh thể đã đầy.
Độ ẩm đất ảnh hưởng thế nào tới kết quả?
Nước hấp thụ bớt bức xạ, nên đất ẩm làm mẫu nhận ít liều mỗi năm hơn. Ước tính sai độ ẩm trung bình qua thời gian sẽ làm tuổi lệch đáng kể.