Lịch sử kỳ lạ của Carbon-14

• Giải Nobel Hóa học 2013 thuộc về ba nhà hóa học phân tử
• Hệ lụy nguy hiểm sau vụ ám sát nhà khoa học hạt nhân Iran

Họ cáo buộc Kamen gây ra hàng loạt vụ giết người diễn ra từ đêm trước đó. Nhưng cảnh sát không thể định rõ tội ác với Kamen bởi vì nhà khoa học tự giam mình trong phòng thí nghiệm suốt 3 đêm trước để cô đọng các hạt Deuteron trên một mẫu than chì nhỏ xíu cùng với người đồng nghiệp cũng là khoa học gia Samuel Ruben.

Sau khi được thả, Kamen đã về nhà chợp mắt một chút rồi quay lại phòng thí nghiệm, và tại đó đã ra đời một trong những khám phá quan trọng nhất của thế kỷ 20: đồng vị carbon-14. Báo Cơ Khí Phổ Thông dẫn lời nhà hóa học khí quyển Mark Thiemens của Đại học California, San Diego (UCSD) giải thích: "Tất cả sự sống đều do carbon tạo nên. Trong khí quyển có carbon dioxide, nó là một phần của tiến trình quang hợp cây cối sử dụng carbon dioxide để tạo ra khí ôxy. Nếu muốn biết chuyện gì liên quan đến sinh học, quý vị hãy bắt đầu với carbon".

Sự đánh đố của hóa học

Kamen là một cậu bé thần đồng. Chào đời ở Toronto (Canada) vào năm 1913, ngay từ thuở nhỏ cậu bé đã được biết đến như một nhạc sĩ tài danh khi có thể chuyển đổi giữa đàn vĩ cầm và vĩ cầm trầm và tốt nghiệp trường trung học từ rất sớm. Để tìm nguồn tài trợ cho nghiên cứu về hóa học của mình tại Đại học Chicago, Kemen đã chơi nhạc tại nhiều tụ điểm rượu chè của thị dân Chicago. 

Nhà hóa học Martin Kamen. Ảnh nguồn: US National Archives Public Domain

Sau khi lấy bằng tiến sĩ và khao khát chỗ làm việc, Kamen đã kiếm được một chân tại UC Berkeley dưới quyền của nhà vật lý nổi tiếng E.O. Lawrence. Trong phòng thí nghiệm của ông Lawrence, Kemen đã gặp gỡ Samuel Ruben - một võ sĩ và cũng là nhà hóa học tài năng. Ruben đặt quyết tâm giải quyết bài toán hóc búa về sinh hóa. Thông qua quá trình quang hợp, các nhà khoa học đã biết rằng cây cối sản sinh ra khí ôxy. Nhưng nguồn ôxy đó từ đâu ra? Phải chăng là từ carbon? Hai ông Kamen và Ruben đã tiến hành các thí nghiệm của họ bằng cách sử dụng một cỗ máy kỳ quặc mà họ gọi là Cyclotron.

Theo ông John Marra, tác giả cuốn sách "Carbon nóng: Carbon-14 và cuộc cách mạng trong khoa học", giải thích: "Chuyển động tròn có thể làm tăng gia tốc các hạt nguyên tử đạt tốc độ vài phần trăm tốc độ ánh sáng dọc theo một con đường tròn nhằm tạo ra các hạt nhân và ion mới. Loại cột hạ nguyên tử này - một tập hợp các điện cực rỗng gọi là Dee - nằm kẹp giữa 2 nam châm điện khổng lồ. Các nhà khoa học đã lên kế hoạch cho những thử nghiệm của họ vào lúc đêm hôm khuya khoắt - thời điểm mới có máy. 

Vào ban ngày, cỗ máy được sử dụng cho các dự án có mối ưu tiên cao nhằm tìm kiếm các cách đặc trị ung thư mới. Bằng cách chiếu xạ than chì trong Cyclotron, họ đã có thể cô lập đồng vị, và thay đổi mãi mãi kiến thức của chúng ta về cuộc sống và các khối xây dựng căn bản của nó. Các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đến những đồng vị của một nguyên tố: các cặp song sinh nguyên tử có chứa cùng một số lượng proton trong nhân của chúng, nhưng lại có nhiều neutron khác nhau.

Vụ thử nghiệm hạt nhân bên ngoài đảo san hô vòng Bikini năm 1946. Ảnh nguồn: US Department of Defense.

Khi các tia vũ trụ đi vào bầu khí quyển của trái đất, chúng bắn phá ni-tơ (loại khí phổ biến nhất trong khí quyển của chúng ta) với neutron khiến chúng mất đi một proton và biến thành các đồng vị khác nhau. Carbon có 3 đồng vị tự nhiên, mỗi đồng vị lại có khối lượng hơi khác nhau và vì thế đó là một đặc điểm nhận dạng độc đáo. Carbon-12 có 6 proton và 6 neutron trong hạt nhân của nó. Carbon-13 có thêm một neutron bổ sung. Carbon-12 là đồng vị phổ biến nhất và cùng với carbon-13 nó hoàn toàn ổn định. 

Tuy nhiên, Carbon-14 là loại đồng vị carbon hiếm nhất thường chỉ diễn ra trong mỗi vài ngàn tỷ nguyên tử carbon. Loại carbon này có chứa 6 proton và 8 neutron, khiến nó bị bức xạ và phân rã thành Nitrogen-14 với tốc độ không thường xuyên nhưng có thể đo lường được. Xét về bản chất thì đồng vị hoạt động như một máy giữ thời gian bức xạ. Carbon-14 có chu kỳ bán rã là 5730 năm có nghĩa là cứ mỗi gần 6000 năm, số lượng nguyên tử carbon-14 trong một mẫu vật liệu hữu cơ như xương hoặc gỗ sẽ bị giảm một nửa. 

Vì đồng vị chị em của carbon-14 là carbon-12 rất dồi dào trong khí quyển (nó được cây xanh xử lý thông qua quá trình quang hợp) và vì thế nó cũng được nhìn thấy ở mọi dạng sự sống. Các nhà khoa học có thể lấy một mẫu vật liệu và phân tích tỷ lệ của các hạt carbon-12 ổn định và các hạt carbon-14 đang phân hủy. Việc theo dõi tỷ lệ này là rất quan trọng để khám phá các bí ẩn trong những lĩnh vực nhân chủng học, khảo cổ học và cổ sinh vật học.

Cho mãi đến năm 1946, khám phá của 2 ông Kamen và Ruben mới được quan tâm rộng rãi khi ông Willard Frank Libby (giáo sư hóa học tại Đại học Chicago) phát triển ra cách dùng carbon-14 để xác định tuổi của vật chất hữu cơ. Trong các xét nghiệm của mình, GS Libby đã so sánh dấu ấn carbon-14 trong 2 mẫu vật: khí lấy từ nhiên liệu hóa thạch và vì lâu đời nên sẽ không tìm thấy carbon-14; mẫu chất bẩn cống còn mới lấy trong hệ thống cống rãnh của thành phố Baltimore (tiểu bang Maryland, Mỹ). GS Libby nhận giải Nobel hóa học vào năm 1960.

Ngày mong ước của các nhà khảo cổ học

Trước đây các nhà khảo cổ học và nhân chủng học thường dựa vào một phương pháp được gọi là "xác định niên đại tương đối" nhằm giải thích độ tuổi của một mẫu vật. Họ đọc hồ sơ địa chất: những vật thể bị chôn sâu dưới đất và lâu năm hơn các thứ chôn gần mặt đất. Bằng cách sử dụng đồng vị được đánh giá cao này, các nhà khoa học đã ước tính được độ tuổi của các bức vẽ hang động xa xưa; chỉ ra khoảng thời điểm người băng hà Otzi sinh sống trong thời đại Đồ đồng; hoặc tìm hiểu các xác ướp đóng băng được lấy ra khỏi rặng Alps ở Áo; hay chuyển động của các nền văn minh cổ đại.

Nhà hóa học khí quyển Mark Thiemens phân tích: "Quy tắc chung ở đây là nếu quý vị muốn đo quy trình của một chiếc đồng hồ bức xạ thì chu kỳ bán rã của đồng vị phải nằm trong khoảng thời gian phù hợp với những gì quý vị đo. Khi họ muốn xác định Tấm vải liệm Turin là đồ thật hay giả, carbon-14 là công cụ hoàn hảo". 

Nhưng carbon-14 chỉ đo được các mẫu vật từ khoảng 5,5 vạn tuổi, thế nên bất kỳ thứ gì lâu đời hơn thì đều không đủ lượng carbon-14 để đo được. Báo Cơ khí phổ thông dẫn lời Nhà khảo cổ sinh học Danielle Kurin của Đại học California, Santa Barbara (UC Santa Barbara) khẳng định: "Nếu quý vị nhắm tìm hài cốt hữu cơ có độ tuổi dưới 5 vạn năm thì đó là một dạng tiêu chuẩn vàng. Thật không thể tin được khi những thứ thuộc về quá khứ lại có sẵn cho chúng ta".

Xác định thời hiện đại

Phần lớn các phòng nghiên cứu hiện nay đang sử dụng một công cụ gọi là Máy đo khối phổ gia tốc (AMS) để xác định có bao nhiêu nguyên tử carbon-14 nằm trong mẫu vật. Các máy chuyên biệt cao này đòi hỏi một vật liệu mẫu ít hơn nhưng khả năng đọc chính xác hơn (chỉ 1 miligram so với 50 milligram được yêu cầu bởi các phương pháp xác định bức xạ trước đó). Điều đó tạo ra sự khác biệt với các mẫu vật dễ vỡ. 

Nhà khảo cổ sinh học Danielle Kurin phát biểu: "Khi chúng tôi lấy mẫu vật liệu hữu cơ có thể là lông vũ, vải hoặc cốt người thì thường có thể bị hư gãy". Trong nhiều trường hợp, carbon-14 được cho là đắt tiền, và có e ngại cho rằng carbon có thể bị rửa trôi bởi môi trường xung quanh. Những thay đổi to lớn đối với hóa học của khí quyển Trái đất có thể giúp các nhà khoa học hiểu biết tốt hơn khi xác định niên đại bằng carbon.

Lượng carbon trong khí quyển không phải lúc nào cũng giống nhau. Đo tuổi từ vòng (vân) cây cối (Dendrochronology) có thể dùng để xác định niên đại sớm nhất là 1,1 vạn năm. Khi Mỹ và các quốc gia khác thử nghiệm vũ khí nguyên tử, thành phần khí quyển cũng thay đổi vĩnh viễn. Các loại vũ khí hạt nhân phát nổ cũng thải ra những loại đồng vị mới bao gồm carbon-14 bay vào khí quyển. 

Giới khoa học sử dụng phép đo carbon-14 nhằm xác định những chai rượu Scotch Whisky giả khác với nhãn mác thật của chúng, chúng ra lò ngay sau khi tiến hành các vụ thử hạt nhân. Vì nhân loại đang thải ra lượng carbon dioxide vào bầu khí quyển hơn lúc nào hết nên các nhà khoa học sẽ phải hiệu chỉnh các phép đo trong tương lai để tính đến dòng khí thải này.

Đo tuổi băng

Đồng vị Carbon cũng có ý nghĩa trong các lĩnh vực khác. Lấy ví dụ trong ngành khoa học khí hậu, đồng vị carbon thực sự giá trị kinh ngạc. Những nhà khoa học như ông Thiemens đã quan sát các bong bóng khí bị mắc kẹt dưới lớp băng cổ xưa nhằm hiểu tốt hơn về môi trường cổ đại. Do sự ổn định và chu kỳ bán rã dài hơn nên các đồng vị ổn định của carbon đã trao cho các nhà khoa học manh mối về khí hậu của trái đất như cách đây hàng triệu năm. Ngay cả loại carbon-14 phân hủy nhanh chóng cũng có ích. Khi đá tiếp xúc với khí quyển của trái đất thì chúng cũng tiếp xúc với bức xạ vũ trụ, đổi ngược lại sẽ sản sinh ra carbon-14. 

Băng hà Elliot ở hai bên sườn núi Hood thuộc tiểu bang Oregon. Ảnh nguồn: Wikimedia Commons

Các nhà khoa học có thể nghiên cứu về carbon-14  tích tụ trong mẫu vật cụ thể nhằm tìm hiểu băng hà đã rút đi như thế nào. Mặt khác, các nhà nghiên cứu cũng có thể theo dấu đường đi của chu kỳ carbon nhờ carbon-14. Giới khoa học có thể đặt cây trong buồng và đổ đầy khí carbon dioxide nhằm tìm hiểu cây sẽ hấp thụ bao nhiêu khí. Những thí nghiệm dạng này sẽ giúp các nhà khoa học hiểu về cách cây trồng lấy carbon từ khí quyển nhằm xây dựng mô hình biến đổi khí hậu sẽ diễn ra như thế nào trong các năm tới.

Số phận người tìm ra C-14

Khó có thể đánh giá chính xác tầm quan trọng của Carbon-14 (C-14) 80 năm sau ngày nó được phát hiện. Mặc dù về cơ bản đồng vị đã thay đổi toàn bộ các ngành khoa học và hiểu biết của chúng ta về quá khứ, nhưng những người tìm ra nó lại không được đánh giá cao. 

Nhà hóa học Sam Ruben.

Nhà hóa học Samuel Ruben đã bị sát hại chỉ 3 năm sau khám phá nổi tiếng của mình. Vào ngày thứ 2 làm việc tại Văn phòng nghiên cứu và phát triển khoa học (OSRD), Ruben đã vô tình tiếp xúc với khí Phosphine tử thần khi một lọ thủy tinh chứa khói độc đã bị vỡ. Nhiều năm sau đó lúc đang ăn tối với một nhà ngoại giao Nga, ông Martin Kamen bị buộc tội một hành vi tội phạm mà ông không thừa nhận, lần này là gián điệp. 

UC Berkeley đã sa thải Kamen, và vào năm 1948, Ủy ban hoạt động của người Mỹ không thuộc Hạ viện đã điệu Kamen ra thẩm vấn. Phải mất hàng thập niên để ông Kamen minh oan và lấy lại danh tiếng của mình, sau khi ông được mời đi giảng dạy ở một loạt các cơ sở giáo dục tên tuổi như Đại học Washington, Đại học St. Louis, Đại học Brandeis và Đại học California, San Diego (UC San Diego). 

Năm 1995, Bộ Năng lượng Mỹ đã trao cho ông Kamen giải Enrico Fermi uy tín vì thành tích khoa học trọn đời. Năm 2002, Kamen tạ thế. Nhà khảo cổ sinh học Danielle Kurin nhận xét: "Việc xác định carbon đã cho phép chúng ta quyết định khi nào thì các đế chế trỗi dậy và tàn lụi khi nào, đồng thời cho phép chúng ta gắn sự biến động môi trường vĩ mô vào những thời điểm nhất định có liên quan đến những thay đổi văn hóa to lớn. Chúng ta may mắn nhờ có đồng vị carbon".