Định tuổi bằng cacbon-14

Chi tiết hoá lý

Trong tự nhiên, cacbon tồn tại dưới dạng hai đồng vị bền, không phóng xạ: carbon-12 ((¹²C)) và carbon-13 ((¹³C)) và đồng vị phóng xạ carbo-14 ((¹⁴C)). Thời gian bán huỷ của (¹⁴C) khoảng 5730 năm, vì vậy nồng độ của nó có thể dự kiến giảm trong hàng ngàn năm.Nhưng (¹⁴C) liên tục được tạo ra ở tầng bình lưu và tầng đối lưu phía trên,chủ yếu là bời các tia vũ trụ thiên hà và những tia mặt trời ở mức độ ít hơn. Những thứ này tạo ra neutrons, nguyên liệu tạo ra (¹⁴C) khi tương tác với nitơ 14 ở dạng nguyên tử. Theo phản ứng hạt nhân sau đây:
n + ¹⁴N → ¹⁴C + p
n: neutron
p: proton
Sau đó ¹⁴C nhanh chóng kết hợp với oxi không khí tạo thành Carbon monoxide (CO) và cuối cùng là carbon dioxide(CO2)
¹⁴C + O₂ → ¹⁴CO + O
¹⁴CO + OH → ¹⁴CO₂ + H 
Carbondioxide khuếch tán trong khí quyển bằng những cách sau, hòa tan trong đại dương và được thực vật hấp thụ thông qua quá trình quang hợp. Động vật ăn thực vật, và cuối cùng là carbon phóng xạ được phân phối khắp sinh quyển.
Tỉ lệ ¹⁴C với ¹²C là khoảng 1.25 phần của (¹⁴C) với 1012 phần (¹²C). Thêm vào đó, khoảng 1% nguyên tử carbon sẽ chuyển thành đồng vị bền (¹³C).
Hệ thức phân rã của (¹⁴C):¹⁴C → ¹⁴N +  + 
Bằng cách phát ra hạt beta (electron, e-) và antineutrino electron (Ve). Một hạt neutron trong (¹⁴C) sẽ thay đổi thành proton và (¹⁴C) sẽ chuyển thành một đồng vị bền nitơ 14.

Vật lý

Ngoài phân rã hạt nhân, chu kỳ bán rã còn xuất hiện trong các quá trình điện học như mạch RC hay mạch RL circuit; ở đó, hằng số bán rã λ là nghịch đảo của hằng số thời gian τ của mạch. Với các mạch RC và RL đơn giản, λ bằng RC (tích điện trở và điện dung hay L/R (thương của độ tự cảm trên điện trở).

Hóa học

Trong phản ứng hóa học, lấy theo chuyển hóa bậc một, λ là hằng số tốc độ phản ứng.

Dược học

Trong dược học chu kỳ bán rã của thuốc hay chất được cơ thể hấp thụ là thời gian để lượng thuốc giảm đi một nửa so với ban đầu, nhờ vào các quá trình hấp thụ và chuyển hóa khác nhau. Đây là một hằng số quan trọng của các loại thuốc trong dược học và thường được gọi là thời gian bán thải, ký hiệu bởi t1/2.

Hồ chứa trao đổi carbon

Carbon được phân phối khắp bầu khí quyển, sinh quyển và đại dương; chúng được gọi chung là bể chứa trao đổi carbon, và mỗi thành phần cũng được gọi riêng là bể chứa trao đổi carbon. Các yếu tố khác nhau của bể chứa trao đổi carbon khác nhau ở mức độ lưu trữ carbon và thời gian cần thiết cho (¹⁴C) được tạo ra từ tia vũ trụ có thời gian trộn lẫn hoàn toàn. Điều này ảnh hưởng đến tỷ lệ (¹⁴C) đến (¹²C) trong các hồ chứa khác nhau, và do đó tuổi phóng xạ của các mẫu có nguồn gốc trong mỗi hồ chứa. Bầu khí quyển, nơi tạo ra (¹⁴C), chứa khoảng 1,9% tổng lượng carbon trong các hồ chứa, và (¹⁴C) nó chứa hỗn hợp trong vòng chưa đầy bảy năm. Tỷ lệ (¹⁴C) đến (¹²C) trong khí quyển được lấy làm đường cơ sở cho các hồ chứa khác: nếu một hồ chứa khác có tỷ lệ (¹⁴C) và (¹²C) thấp hơn. Nó chỉ ra rằng carbon đã già hơn và do đó một số (¹⁴C) đã bị phân rã hoặc hồ chứa đang nhận carbon không nằm trong đường cơ sở của khí quyển. Bề mặt đại dương là một ví dụ: nó chứa 2,4% carbon trong bể trao đổi, nhưng chỉ có khoảng 95% (¹⁴C) như mong đợi nếu tỷ lệ này giống như trong khí quyển. Thời gian để carbon từ khí quyển hòa trộn với đại dương bề mặt chỉ là một vài năm, nhưng bề mặt mặt cũng nhận được lượng nước từ đại dương sâu, nơi có hơn 90% carbon trong hồ chứa. Đại dương mất khoảng 1.000 năm để lưu thông trở lại qua các vùng nước bề mặt, và do đó, nước bề mặt chứa một sự kết hợp của nước cũ, với (¹⁴C) trên bề mặt, cân bằng với (¹⁴C) trong khí quyển.
Các sinh vật sống ở bề mặt đại dương có tỷ lệ (¹⁴C) giống như nước mà chúng sống và do tỷ lệ (¹⁴C) /(¹²C) giảm, tuổi phóng xạ của sinh vật biển thường khoảng 400 năm. Sinh vật sống trong bầu khí quyển và có cùng tỷ lệ (¹⁴C)/(¹²C) với bầu khí quyển Những sinh vật này chứa khoảng 1,3% carbon trong hồ chứa. các sinh vật biển có khối lượng ít hơn 1% so với những sinh vật trên cạn và không được hiển thị trên sơ đồ. Chất hữu cơ chết tích lũy, của cả thực vật và động vật, gấp 3 lần khối lượng của sinh quyển, vì vật chất này không còn trao đổi carbon với môi trường của nó, nên nó có tỷ lệ (¹⁴C)/(¹²C) thấp hơn so với sinh quyển.
Các sinh vật sống ở bề mặt đại dương có tỷ lệ (¹⁴C) tương đương với nước mà chúng sống và do tỷ lệ (¹⁴C) / (¹²C) giảm, tuổi phóng xạ của sinh vật biển thường khoảng 400 năm. Các sinh vật trên đất ở trạng thái cân bằng gần hơn với khí quyển và có cùng tỷ lệ (¹⁴C) / (¹²C) với khí quyển. Những sinh vật này chứa khoảng 1,3% carbon trong hồ chứa; các sinh vật biển có khối lượng ít hơn 1% so với những sinh vật trên cạn và không được hiển thị trên sơ đồ. Chất hữu cơ chết tích lũy, của cả thực vật và động vật, vượt quá khối lượng của sinh quyển gần 3 lần, và vì vấn đề này không còn trao đổi carbon với môi trường của nó. Có tỉ lệ (¹⁴C)/(¹²C) thấp hơn sinh quyển.

Niên đại phóng xạ carbon

Biến đổi khí quyển:
Trong những năm đầu sử dụng kỹ thuật này, người ta đã hiểu rằng nó phụ thuộc vào tỷ lệ (¹⁴C)/ (¹²C) trong khí quyển vẫn giữ nguyên trong vài nghìn năm trước. Để xác minh tính chính xác của phương pháp, một số vật phẩm có thể truy cập được bằng các kỹ thuật khác đã được thử nghiệm; kết quả của thử nghiệm là phù hợp với độ tuổi thật của các đối tượng. Tuy nhiên, theo thời gian, sự khác biệt bắt đầu xuất hiện giữa niên đại đã biết của các triều đại Ai Cập cổ nhất và ngày phóng xạ carbon của các đồ tạo tác Ai Cập. Cả niên đại Ai Cập trước đây cũng như phương pháp xác định niên đại carbon mới có thể được coi là chính xác, nhưng khả năng thứ ba là tỷ lệ (¹⁴C) /(¹²C) đã thay đổi theo thời gian. Câu hỏi đã có câu trả lời thông qua nghiên cứu vòng cây: so sánh các chuỗi vòng cây chồng chéo cho phép xây dựng chuỗi dữ liệu vòng cây liên tục kéo dài 8.000 năm (Kể từ đó, chuỗi dữ liệu vòng cây đã được kéo dài đến 13.900 năm.). Vào những năm 1960, Hans Suess đã có thể sử dụng chuỗi vòng cây để chỉ ra rằng phóng xạ carbon được xác định đúng bởi những nhà khoa học ở Ai Cập. Điều này là có thể bởi vì mặc dù các cây hàng năm, chẳng hạn như ngô, có tỷ lệ (¹⁴C) / (¹²C) phản ánh tỷ lệ khí quyển tại thời điểm chúng đang phát triển, cây chỉ nhận thêm vật liệu vào phía ngoài cùng của vòng, trong khi bên trong cây không nhận thêm (¹⁴C) và thay vào đó chúng mất dần (¹⁴C) do quá trình phân rã. Do đó, mỗi vòng lưu lại dữ liệu về tỉ lệ carbon phóng xạ qua mỗi năm chúng phát triển. Phóng xạ carbon cung cấp từ các vòng cây được kiểm tra về tỷ lệ (¹⁴C) / (¹²C) trong khí quyển. Kết quả thu được từ các vòng cây, nó có thể xây dựng các đường cong hiệu chuẩn được thiết kế để sửa các lỗi gây ra bởi sự thay đổi theo thời gian trong tỷ lệ (¹⁴C) /(¹²C). Những đường cong được mô tả chi tiết hơn dưới đây.
Than và dầu bắt đầu được đốt với số lượng lớn trong thế kỷ 19. Cả hai đều đủ tuổi và chúng chứa ít hoặc không chứa (¹⁴C). CO2 được giải phóng đã làm giảm đáng kể tỷ lệ (¹⁴C) / (¹²C) trong khí quyển. Vì lý do đó, nồng độ (¹⁴C) trong khu vực lân cận các thành phố lớn thấp hơn mức trung bình của khí quyển. Hiệu ứng nhiên liệu hóa thạch này (còn được gọi là hiệu ứng Suess, sau khi Hans Suess, người đầu tiên báo cáo vào năm 1955) sẽ chỉ giảm 0,2% trong hoạt động (¹⁴C) nếu carbon bổ sung từ nhiên liệu hóa thạch được phân phối khắp bể chứa trao đổi carbon, nhưng do sự chậm trễ lâu trong việc trộn lẫn với đại dương sâu thẳm, hiệu quả thực tế giảm 3%. 
Một hiệu ứng lớn hơn nhiều đến từ thử nghiệm hạt nhân trên mặt đất, đã giải phóng số lượng lớn neutron và tạo ra (¹⁴C). Từ khoảng năm 1950 đến năm 1963, khi thử nghiệm hạt nhân trong khí quyển bị cấm, ước tính có vài tấn (¹⁴C) được tạo ra. Nếu tất cả (¹⁴C) thêm này đã ngay lập tức được lan truyền trên toàn bộ bể chứa trao đổi carbon, thì nó sẽ dẫn đến sự gia tăng tỷ lệ (¹⁴C) / (¹²C) chỉ một vài phần trăm, nhưng hiệu quả ngay lập tức là tăng gần gấp đôi lượng (¹⁴C) trong bầu khí quyển, với mức cực đại xảy ra vào năm 1964 cho bán cầu bắc và năm 1966 cho bán cầu nam. Mức độ đã giảm xuống, vì xung bom này hoặc "bom carbon" thấm vào phần còn lại của hồ chứa.