Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu Chương 2: Thực nghiệm Chương 3: Kết quả và thảo luận Đề tài luận văn được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 4/2010 đến tháng 12/2010 tại Phòng Thí nghiệm và Xác định niên đại, Viện khảo cổ học – Viện Khoa học Xã hội Việt Nam. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Hường 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Cơ sở khoa học của phương pháp 1.1 Sự hình thành của đồng vị 14C trong tự nhiên Trong tự nhiên , carbon có ba đồng vị cơ bản là carbon-12 (12C), carbon-13 (13C), carbon-14 (14C). Trong đó 12C, 13C là các đồng vị bền và chiếm phần chủ yếu trong tự nhiên (12C chiếm khoảng 99,63%; 13C chiếm khoảng 0,37%) còn 14C chiếm phần tỷ lệ rất nhỏ chỉ khoảng 1,3.10-10% là đồng vị không bền vững, có khả năng phân rã phóng xạ β- để trở thành nguyên tố khác.
Mỗi hạt nhân 14C gồm có 6 proton và 8 nơtron, đồng vị này có tính chất hóa học giống như đồng vị carbon không phóng xạ C12 và C13. Vì 14C có nhiều nơtron trong hạt nhân hơn các đồng vị khác nên 14C không bền vững, có tính phóng xạ. Khi phân rã, 14C chuyển thành nitơ bền và phát ra hạt bêta như phương trình: 14 6C 147N e e (1.1) Quá trình phân rã (1.1) là hoàn toàn tự phát không phụ thuộc vào tác động của môi trường khí hâ ̣u. Trong cấu tạo vỏ Trái Đất, đồng vị 14C không có sẵn mà được xuấ t hiê ̣n từ khí quyển do va chạm của hạt nơtron (có trong các tia vũ tru ̣ ) và nguyên tử nitơ luôn có sẵn trong không khí theo phương trình sau: n 147 N 146 C p 0,6MeV (1.2) Quá trình này xảy ra ở tầng bình lưu, nhiều nhất là ở độ cao khoảng 15km đến 20km.
Đồng vị 14C sau khi hình thành sẽ nhanh chóng kế t hơ ̣p với ôxy để thành khí điôxít carbon (CO2) và tham gia vào các chu trình hoạt động của khí này như những đồng vị carbon khác. Trong khí CO2, hàm lượng 14CO2 rấ t nhỏ (cứ 1 triê ̣u 14 phân tử CO 2 chứa carbon bề n thì có 1 phân tử CO 2 chứa đồ ng vi ̣không bề n C). Khí CO2 hình thành và nhanh chóng phân tán khắp toàn cầu , đươ ̣c cây xanh quang hơ ̣p, cho nên cây xanh chứa 14C với tỷ lê ̣ như CO 2 trong khí quyển. Con người hay loài vâ ̣t ăn thiṭ như hổ , báo… ăn thịt những con vật ăn cỏ cây cũng sẽ thu nạp được đồng vị 14C dẫn đến tấ t cả đô ̣ng vâ ̣t , thực vâ ̣t trên thế giới đề u chứa đồng vị này.
Ngoài ra, còn có một lượng đáng kể CO2 trong khí quyể n hòa tan vào nước biể n ta ̣o TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Hường thành carbonat (CO32-), nghĩa là trong nước biển cũng sẽ có đồng vị 14 C với tỉ lệ nào đó. Đó là một phần của tuần hoàn carbon trong tự nhiên gọi là chu trình carbon như hình minh họa. Quá trình hình thành và chu trình vận chuyển của đồng vị 14C trong tự nhiên (Nguồn từ sách: Science-based Dating in Archaeology) 1.2 Biến thiên hàm lượng 14C theo thời gian Trong tự nhiên luôn có 2 quá trình ngược nhau xảy ra đối với hai đồng vị 14C và 14N: một quá trình tạo ra đồng vị 14C từ 14N do tác động của tia vũ trụ như phương trình (1.1); một quá trình tự phân rã của 14C thành 14N như phương trình (1. Sau khi được tạo thành đồng vị 14C sẽ nhanh chóng bị ôxi hóa thành khí điôxít carbon và tham gia vào chu trình chuyển hóa trong sinh quyển như một chất khí CO2 thông thường.
Quá trình này diễn ra liên tục nên trong môi trường tự nhiên sẽ dẫn đến hình thành một trạng thái "dừng", nghĩa là trạng thái duy trì sự không đổi về tỷ số 14C/12C cả trong khí quyển và trong sinh vật. Trong khí quyển, tỷ số này có giá trị: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Hường C14 1,3 C12 1012 Mô hình trên cũng cho thấy, quá trình hình thành lượng đồng vị carbon phóng xạ trong khí quyển phụ thuộc chủ yếu vào hoạt động của mặt trời và con người trên Trái đất. Giả sử những năm mặt trời hoạt động mạnh, lượng hạt nơtron phóng về Trái đất nhiều hơn thì số lượng phản ứng tạo ra đồng vị 14C cũng sẽ diễn ra nhiều hơn. Và như vậy, nếu xác định được biến thiên theo thời gian của tỷ lệ đồng vị carbon phóng xạ (14C) trong nguyên tố carbon sẽ phần nào dự đoán được thay đổi của thời tiết trong quá khứ và tương lai.3 Cơ sở của phương pháp Như đã biết, khi còn sống sinh vật luôn duy trì tỷ số 14C/C12 ở giá trị không đổi theo phương trình (1.3), nhưng khi sinh vật không còn trao đổi chất với môi trường (sinh vật chết) thì chúng không được bổ sung lượng carbon tự nhiên nữa, trong khi đó lượng đồng vị carbon phóng xạ (14C) trong chúng sẽ bị suy giảm theo quy luật phân rã phóng xạ với chu kỳ bán rã khoảng 5730 năm như phương trình: At = Ao.4) Trong đó: At là hoạt độ 14C tại thời điểm hiện nay.
Ao là hoạt độ 14C tại thời điểm ban đầu. là hằng số phóng xạ của 14C. t là khoảng thời gian từ khi sinh vật ngừng trao đổi chất đến nay. Trong thực tế, hàm lượng 14C rất nhỏ, do đó để xác định hàm lượng 14C trong đối tượng nghiên cứu được đưa về dạng hợp chất chứa nguyên tử carbon.
Từ thực nghiệm, đo hoạt độ phóng xạ còn dư trong mẫu đã biết chính xác tuổi đến thời điểm hiện tại, hiệu chỉnh để chuyển đổi về giá trị hoạt độ ban đầu A0 của chúng trong sinh vật theo phương trình (1. Trên cơ sở đó xác định được giá trị hoạt độ 14C trong mẫu sinh vật tại các thời điểm ban đầu A0 và xác định được sự thăng giáng của hàm lượng 14C trong sinh quyển. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Hường 1.2 Các phương pháp đo đồng vị phóng xạ Hiện nay có ba kỹ thuật xác định hàm lượng đồng vị carbon phóng xạ ( 14C) chủ yếu, đó là kỹ thuật đo bằng ống đếm chứa khí (GPC – Gas Prportional Counting), kỹ thuật đo bằng detector nhấp nháy lỏng (LSC – Liquid Scintillation Counting) và kỹ thuật đo bằng phổ kế gia tốc khối lượng (AMS – Accelarator Mass Spectro).1 Kỹ thuật đo hàm lượng 14C bằng phương pháp ống đếm chứa khí (GPC) Kỹ thuật này đã được nghiên cứu sử dụng ngay từ những năm 50 của thế kỷ 20, nó đã được phát triển để trở thành một trong những kỹ thuật đo hàm lượng 14C phổ biến ở nhiều nước trong những năm 1960-1980. Theo phương pháp này, mẫu sau khi làm sạch sẽ được xử lý để chuyển hóa toàn bộ các nguyên tử carbon trong nó thành hợp chất hữu cơ dạng khí mêtan (CH4).
Sau đó, khí này sẽ được nạp vào ống đếm có trường điện thế cao (khoảng vài kV) để xác định hoạt độ phóng xạ bêta từ đồng vị 14C phát ra theo nguyên tắc của ống đếm tỷ lệ. Ưu điểm của phương pháp là có khả năng xác định trực tiếp hoạt độ phóng xạ 14C và dễ sử dụng. Nhược điểm là hiệu suất ghi thấp, nhiễu phép đo lớn, rất cồng kềnh và độ ổn định không cao, để chống nhiễu cho thiết bị người ta phải tạo ra những khối chì nặng hàng chục tấn. Ngày nay, kỹ thuật này ít được khuyến khích phát triển và đang dần được thay thế bằng những thiết bị khác hiệu quả hơn.2 Kỹ thuật đo đồng vị 14C bằng phổ kế gia tốc khối lượng (AMS) Kỹ thuật này có thể coi là hiện đại nhất hiện nay, có độ nhạy rất cao, lượng mẫu cần phân tích ít.
Mẫu sau khi được làm sạch sẽ được xử lý để chuyển toàn bộ carbon trong mẫu sang dạng khí CO2, sau đó khí này sẽ được xử lý để toàn bộ lượng carbon trong nó trở thành nguyên chất dưới dạng bia graphit. Khi đo, bia graphit sẽ được kích thích để tạo ra các ion carbon tự do trong buồng mẫu gồm cả 12C, 13C và 14C, sau đó dưới tác dụng của điện trường các ion này sẽ được định hướng bay tới các cửa sổ khác nhau ứng với khối lượng của mẫu đồng vị, trên cơ sở các số liệu ghi nhận về lượng đồng vị carbon sẽ đo được hàm lượng 14C trong mẫu. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Hường Đây là một kỹ thuật đòi hỏi sự đầu tư ban đầu rất lớn, giá thành phân tích theo phương pháp này cao gấp hai lần so với phương pháp đo bằng kỹ thuật nhấp nháy lỏng vì thế việc ứng dụng đại trà kỹ thuật này không phải là giải pháp được khuyến khích. Ở một số nước có nền khoa học phát triển thường dùng giải pháp, bên cạnh các phòng thí nghiệm đo hàm lượng bằng khối phổ kế (AMS) người ta vẫn xây dựng phòng thí nghiệm đo nhấp nháy lỏng cho những nhu cầu đo hàm lượng 14 C một cách đại trà.3 Kỹ thuật đo hoạt độ 14C bằng detector nhấp nháy lỏng Ngày nay, các detector nhấp nháy được ứng dụng khá phổ biến trong nhiều loại thiết bị đo ghi bức xạ khác nhau dùng trong vật lý hạt nhân và vật lý hạt.
Với sự trợ giúp của kỹ thuật vi xử lý, đã có những bước đột phá về công nghệ ghi đo bức xạ hạt nhân bằng detector nhấp nháy, cho phép nâng cao độ nhạy của phương pháp và có thể tiến hành các phép đo xác định hàm lượng 14C đạt độ chính xác cao. Ngoài ra kỹ thuật này còn có ưu điểm đáng kể là dễ áp dụng, giá thành phân tích thấp, chưa bằng một nửa phương pháp đo đồng vị 14C bằng khối phổ gia tốc (AMS), không đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn. Ta có thể so sánh ba kỹ thuật ghi đo hàm lượng 14C qua bảng sau: Bảng 1.