Chu kì bán rã xác định tuổi hóa thạch năm 2024

Hầu hết mọi người đều bận rộn với cuộc sống trên Trái đất. Chúng ta hiếm khi có cơ hội suy nghĩ sâu sắc về những chủ đề phức tạp. Và vì vậy, ý tưởng ra đời: Tại sao chúng ta có thể xác định những thứ tuyệt đối có giá trị tương đối?

Phi hành gia Apollo 14 Alan B. Shepard Jr. gắn thiết bị nhanh trên bề mặt mặt trăng vào tháng 2 năm 1971. Nguồn: NASA. Toàn bộ mục đích của khoa học là chúng ta sử dụng các kỹ thuật phân tích dựa trên các nguyên lý của vũ trụ để tìm ra câu trả lời chính xác. Một câu hỏi cơ bản trong khoa học là làm thế nào chúng ta biết được độ tuổi của hành tinh. Những tảng đá chúng ta cầm trên tay bao nhiêu tuổi? Trái Đất bao nhiêu tuổi? Trong phần lớn lịch sử loài người, không ai thực sự biết được. Nhiều người cho rằng Trái đất đã già đi một cách lạ thường; nhiều người khác cho rằng nó đã 6.000 năm tuổi. Nhưng đó là một câu hỏi cực kỳ quan trọng trong khoa học vũ trụ. Điển hình nhờ phương pháp xác định niên đại bằng phép đo phóng xạ, chúng ta biết rằng đá trên Trái đất có hàng triệu hoặc hàng tỷ năm tuổi.

Phép đo phóng xạ để biết tuổi của đá

Vậy làm sao chúng ta thực sự biết được tuổi của các loại đá và của hành tinh? Các nhà khoa học sử dụng một kỹ thuật gọi là xác định niên đại bằng phép đo phóng xạ. Đó là một loạt các quy trình sử dụng những đặc tính quan trọng của các nguyên tố trong vũ trụ để tiết lộ những bí mật ẩn giấu bên trong những tảng đá mà chúng ta thường đứng trên đó. Bạn thấy đấy, hầu như tất cả các loại đá và các thành phần khác trên hành tinh chúng ta sinh sống đều chứa tạp chất phóng xạ trong thành phần. Kỹ thuật này được phát triển lần đầu tiên vào những ngày đầu tìm hiểu về phóng xạ bởi Bertram Boltwood vào năm 1907. Kể từ đó, đây là cách cơ bản để chúng ta xác định niên đại của hầu hết các chất tự nhiên một cách đáng tin cậy.

Bertram Boltwood trong phòng thí nghiệm ở Yale năm 1917. Công trình của ông là chìa khóa cách học đo tuổi của đá. Nguồn: Alois F. Kovarik/Wikimedia commons Chi tiết về cách thức xác định niên đại bằng phóng xạ liên quan đến câu chuyện cơ bản là mọi vật chất đều được cấu tạo từ các nguyên tố hóa học và số nguyên tử của mỗi nguyên tố trên bảng tuần hoàn (cho biết số proton và số neutron riêng biệt trong hạt nhân của nó). Các đồng vị khác nhau của một nguyên tố có số neutron khác nhau và số lượng đồng vị cụ thể của một nguyên tố được gọi là nuclit. Điều quan trọng là một số hạt nhân vốn không ổn định và chúng sẽ trải qua quá trình phân rã phóng xạ theo chu kỳ, biến đổi thành một hạt nhân khác. Sự phân rã phóng xạ bị chi phối bởi chu kỳ bán rã của nguyên tố đó; sau một chu kỳ bán rã, một nửa số nguyên tử của hạt nhân sẽ bị phân rã. Sự phân rã này có thể được đo bằng chín phương pháp và có thể cung cấp một chu kỳ phóng xạ để xác định tuổi của các chất tồn tại bên trong.

Phương pháp xác định niên đại bằng carbon-14

Các phương pháp xác định niên đại cung cấp nhiều cách tiếp cận khác nhau cho các nhà nghiên cứu. Phương pháp mà hầu hết mọi người nghe đến trong các bản tin là phương pháp xác định niên đại bằng carbon phóng xạ, hay phương pháp xác định niên đại bằng carbon-14. Carbon-14, một đồng vị phóng xạ của carbon chưa 6 proton và 8 neutron, tồn tại trong tất cả các sinh vật sống dựa trên carbon. Bằng sự va chạm của các neutron, nó được tạo ra bởi các tia vũ trụ đi vào bầu khí quyển phía trên của Trái Đất. Thực vật hấp thụ chúng qua quá trình quang hợp; con người tiếp cận bằng cách ăn thực vật và động vật. Tỷ lệ carbon-14 trong tàn dư của sinh vật cho biết khoảng thời gian kể từ khi sinh vật đó chết. Kỹ thuật này hữu ích nhất đối với xương và các hài cốt khác của sinh vật sống trong lịch sử. Carbon-14 có chu kỳ bán rã 5.730 năm. Vì vậy, nó thực sự hữu ích đối với tàn tích của một sinh vật không quá 60.000 năm tuổi, vì khi đó carbon-14 gần như đã cạn kiệt hoàn toàn.

Một mẫu đá mặt trăng được thu thập từ mặt mặt trăng trong sứ mệnh Apollo 14. Nguồn: NASA. Các phương pháp xác định niên đại bằng phép đo phóng xạ khác dựa vào việc tạo ra các đồng vị phóng xạ và được tạo ra bởi quá trình tổng hợp hạt nhân trong siêu tân tinh. Phương pháp xác định niên đại bằng chì uranium dựa vào uranium-235 hoặc uranium-238 để xác định tuổi tuyệt đối của một chất. Ví dụ tạp chất trong đá tồn tại trong khoáng vật zircon, hầu như đều chứa một lượng nhỏ uranium. Các phương pháp khác cũng tồn tại và thường đóng vai trò kiểm tra chéo để thu được kết quả tương tự thông qua nhiều phương pháp tiếp cận. Có phương pháp xác định niên đại bằng samarium-neodymium. Điều này liên quan đến sự phân hủy của samarium thành neodymium. Một kỹ thuật khác là phương pháp xác định niên đại bằng kali-argon, phương pháp này cho biết chu kỳ bán rã của kali-40 là 1,3 tỷ năm và nó là rất tốt với độ tuổi của đá. Phương pháp rubidium-strontium cũng hữu ích với các mẫu vật rất cũ vì nó có chu kỳ bán rã 50 tỷ năm.

‘Big Bertha’ có niên đại hơn 4 tỷ năm

Phương pháp xác định niên đại bằng uranium-thorium có chu kỳ bán rã là 80.000 năm. Phương pháp này tạo ra bởi quá trình phân hạch của tạp chất uranium-238, nó xác định niên đại theo dấu vết phân hạch bằng cách sử dụng một lát vật liệu được đánh bóng để kiểm tra mật độ của các dấu vết. Phương pháp xác định niên đại bằng clo-36 sử dụng dữ liệu thu được trong các vụ thử hạt nhân dưới nước vào những năm 1950 để xác định niên đại của các vùng nước và băng cổ điển gần đây. Cái gọi là phương pháp xác định niên đại phát quang, chúng đo lường tác động của bức xạ nền lên khoáng chất.

Độ tuổi của Trái đất ước tính khoảng 4,5-4,6 tỷ năm. (Ảnh: NASA). Nhờ việc xác định niên đại bằng phép đo phóng xạ, chúng ta biết rằng đá trên Trái đất có hàng triệu hoặc hàng tỷ năm tuổi. Những tảng đá lâu đời nhất trên Trái đất, do phân tích các tinh thể zircon gắn bên trong chúng, đã 4,0 tỷ năm tuổi và chúng nằm trong Acasta Gneiss ở Canadian Shield. Những tảng đá này hình thành vào khoảng thời gian sự sống xuất hiện sớm nhất trên Trái đất, và có lẽ trước đó một chút, và khoảng 600 triệu năm sau khi hình thành hệ mặt trời. Hòn đá Big Bertha – một trong số các mẫu vật Mặt trăng mang số hiệu 14321 có một phần nguồn gốc từ Trái đất. Mẫu vật được cho là nằm trong số những mảnh vỡ bắn ra trong các vụ va chạm giữa Trái Đất và thiên thạch từ thuở khai sinh