Năm 1946, nhà khoa học người Mỹ Willard Libby đã đề xuất một phương pháp để xác định niên đại của các vật liệu hữu cơ bằng cách đo hàm lượng đồng vị phóng xạ carbon-14bên trong chúng. Phương pháp này giúp các nhà khoa học ước tính độ tuổi của các hiện vật cổ xưa một cách khách quan, với độ chính xác cao.
Willard Libby (1908 –1980). Ảnh: Bettmann
Trước thập niên 1940, các nhà khoa học không có cách nào để xác định chính xác tuổi của hóa thạch hoặc các vật thể cổ xưa khác. Họ phải dựa vào những kỹ thuật xác định niên đại mang tính tương đối, thường có khả năng xảy ra sai số rất lớn. Mọi chuyện đã thay đổi khi nhà khoa học Libby sáng tạo ra một phương pháp gọi là “xác định niên đại bằng carbon phóng xạ”, một quy trình phân tích đã cách mạng hóa cách thức chúng ta nhìn nhận các hiện vật cổ xưa và ghi chép về lịch sử thế giới.
Libby sinh ra ở Grand Valley, bang Colorado (Mỹ) vào ngày 17/12/1908. Ông theo học tại Đại học California, Berkeley – nơi ông nhận bằng cử nhân và tiến sĩ lần lượt vào các năm 1931 và 1933. Sau khi tốt nghiệp, ông trở thành giảng viên tại khoa hóa học của ngôi trường này. Trong tám năm tiếp theo, ông được thăng chức trợ lý và sau đó là phó giáo sư hóa học. Lĩnh vực chuyên môn của ông là hóa học liên quan đến các chất phóng xạ.
Tháng 12/1941, Mỹ chính thức tham gia vào cuộc Chiến tranh Thế giới lần Thứ hai. Libby đến Đại học Columbia để làm việc cho Dự án Manhattan, một chương trình được Chính phủMỹthành lập để phát triển bom nguyên tử.
Sau khi chiến tranh kết thúc vào năm 1945, Libby trở thành giáo sư tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân (nay là Viện Nghiên cứu Hạt nhân Enrico Fermi) của Đại học Chicago. Tại đây, vào năm 1947, ông lần đầu tiên đề xuất lý thuyết xác định tuổi của một vật thể bằng đồng vị phóng xạ carbon. Ông đã chứng minh tính khả thi của phương pháp này và nhận được một số bằng sáng chế của Mỹ cho công trình nghiên cứu của mình.
Nguồn cảm hứng của Libby xuất phát từ nghiên cứu trước đó của nhà vật lý Serge Korff tại Đại học New York (Mỹ). Năm 1939, Korff phát hiện neutron được tạo ra trong quá trình tia vũ trụ bắn phá bầu khí quyển của Trái đất. Phản ứng giữa các neutron này và nitơ-14, chất chiếm ưu thế trong khí quyển, sẽ tạo ra carbon-14 (đồng vị phóng xạ không ổn định của carbon).
Phương pháp xác định niên đại bằng carbon phóng xạ, hay còn gọi là phương pháp xác định niên đại bằng carbon-14, hoạt động dựa trên nguyên lý mọi sinh vật sống đều cấu tạo chủ yếu từ carbon. Libby nhận thấy khi thực vật còn sống, chúng hấp thụ carbon trong khí quyển nhờ vào quá trình quang hợp. Con người và các động vật khác hấp thụ carbon thông qua thực phẩm có nguồn gốc thực vật hoặc ăn các loài động vật khác ăn thực vật.Do đó, các sinh vật sống ngày nay sẽ có cùng nồng độ carbon-14 với bầu khí quyển.
Carbon được tạo thành từ ba đồng vịbao gồm carbon-12 (dạng phổ biến nhất), carbon-13 và carbon-14. Trong số đó carbon-12, carbon-13 là những đồng vị ổn định, không phân rã thành nguyên tố khác. Ngược lại, carbon-14 có tính phóng xạ và phân rã thành nitơ-14 theo thời gian. Cứ sau 5.730 năm, độ phóng xạ của carbon-14 lại giảm đi một nửa.
Khi một sinh vật chết đi, chúng sẽ ngừng hấp thụ carbon-14. Về mặt lý thuyết, nếu người ta có thể đo hàm lượng carbon-14 trong một vật thể hoặc vật liệu hữu cơ và so sánh nó với mức hiện tại trong khí quyển, người ta có thể xác định tuổi của vật thể đó thông qua công thức toán học dựa trên chu kỳ bán rã hoặc tốc độ phân rã của đồng vị carbon-14.
Nhưng để chứng minh ý tưởng này, Libby cần hiểu rõ hệ thống carbon của Trái đất. Việc xác định niên đại bằng carbon phóng xạ sẽ thành công và có độ chính xác cao nếu hai yếu tố sau là đúng: nồng độ carbon-14 trong khí quyển gần như không đổi trong hàng nghìn năm và carbon-14 di chuyển dễ dàng trong khí quyển, sinh quyển, đại dương và các hồ chứa thông qua “chu trình carbon”.
Vì không có bất kỳ dữ liệu lịch sử nào liên quan đến cường độ bức xạ vũ trụ, Libby chỉ đơn giản cho rằng nó không đổi. Ông lập luận, tốc độ sản xuất carbon-14 bằng tốc độ phân rã của nó trong tự nhiên, tạo thành một trạng thái cân bằng trong suốt hàng thiên niên kỷ. May mắn cho ông, các nhà khoa học sau đó đã chứng minh điều này là đúng.
Bằng cách sử dụng máy đếm phóng xạ Geiger, Libby đã ước tính tổng lượng carbon-14 và so sánh nó với tất cả các đồng vị khác của carbon. Kết quả cho thấy trong 10^12 nguyên tử carbon trên Trái đất thì chỉ có một nguyên tử carbon-14.
Đối với yếu tố thứ hai, Libby đã nghiên cứu kỹ lưỡng chu trình carbon của Trái đất. Ông phát hiện carbon-14 được trao đổi dễ dàng trong chu trình carbon, khiến tỷ lệ carbon-14 và các đồng vị carbon khác trong cơ thể sống cũng như khí quyển là giống nhau.
Năm 1952, Nhà xuất bản Đại học Chicago đã phát hành cuốn sách của Libby với tựa đề “Radiocarbon Dating” (Xác định niên đại bằng carbon phóng xạ). Kể từ đó, phương pháp của Libby trở thành quy trình xác định niên đại quan trọng nhất và được áp dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau, chẳng hạn như khảo cổ học, địa chất, hải dương học, thủy văn, khoa học khí quyển và cổ khí hậu học.
Trước nghiên cứu của Libby, các nhà khoa học trong lĩnh vực khảo cổ học và địa chất chủ yếu dựa vào những phương pháp xác định niên đại chỉ mang tính tương đối. Họ giả định rằng các lớp đất đá ở nơi tìm thấy hiện vật được sắp xếp theo thứ tự thời gian nên dễ gây ra sai sót.Ngược lại, việc xác định niên đại bằng carbon phóng xạ đã cung cấp phương pháp xác định niên đại khách quan đầu tiên, dựa vào các tàn tích hữu cơ có trong hiện vật.
Bằng cách phân tích các mẫu gỗ từ những cây rừng bị chôn vùi bên dưới lớp băng, Libby đã chứng minh kỷ băng hà cuối cùng ở Bắc Mỹ kết thúc khoảng 10.000 năm trước, thay vì 25.000 năm trước như các nhà địa chất học trước đây tin tưởng.
Mặc dù phương pháp xác định niện đại bằng carbon-14 rất hữu ích nhưng nó cũng tồn tại một số nhược điểm nhất định. Các mẫu vật có thể bị nhiễm bẩn bởi các vật liệu chứa carbon khác, chẳng hạn như đất bao quanh một số xương hóa thạch. Phương pháp này không thể xác định tuổi của các vật liệu vô cơ, và nó cũng khá tốn kém. Các mẫu vật có niên đại lớn hơn 40.000 năm rất khó xác định tuổi một cách chính xác do chứa hàm lượng carbon-14 rất nhỏ. Các mẫu vật hơn 60.000 năm tuổi hoàn toàn không thể xác định được niên đại.
Năm 1954, Tổng thống Mỹ Eisenhower khi đó đã bổ nhiệm Libby làm thành viên của Ủy ban Năng lượng Nguyên tử Mỹ. Quyết định bổ nhiệm này được gia hạn thêm một nhiệm kỳ 5 năm, nhưng Libby đã từ chối để trở thành giáo sư hóa học tại Đại học California, Los Angeles (UCLA).
Năm 1960, Libby được trao Giải Nobel Hóa học cho phương pháp xác định tuổi bằng đồng vị carbon phóng xạ. Trong suốt sự nghiệp của mình, ông cũng được trao tặng nhiều giải thưởng danh giá khác, bao gồm Giải thưởng Ứng dụng Hạt nhân trong lĩnh vực Hóa học của Hiệp hội Hóa học Mỹ năm 1956, Huy chương Elliott Cresson của Viện Franklin năm 1957, Huy chương Willard Gibbs của Hiệp hội Hóa học Mỹ năm 1958, Huy chương Albert Einstein năm 1959 và Huy chương Arthur L. Day của Hội Địa chất Mỹ năm 1961.
Theo MIT, American Chemical Society
