Bertram Boltwood - Người ước tính tuổi Trái đất

Chúng ta biết rằng Trái đất đã tồn tại từ cách đây rất lâu, và hành tinh này cổ xưa đến mức chúng ta khó có thể tưởng tượng được. Nhưng trong phần lớn lịch sử nhân loại, các ước tính về tuổi của Trái đất thường không chính xác và không đồng nhất. Vào tháng 2/1907, nhà hóa học Bertram Boltwood đã công bố một bài báo trên tạp chí American Journal of Science mô tả chi tiết một phương pháp mới để xác định niên đại của các loại đá, và phương pháp này đã thay đổi hoàn toàn những ước tính trước đó về tuổi của Trái đất.

Boltwood đã so sánh hàm lượng chì và uranium trong các mẫu khoáng vật có trong đá được thu thập từ khắp nơi trên thế giới để xác định tuổi của đá. Kết quả thí nghiệm thật đáng kinh ngạc. Một mẫu khoáng vật thorianit từ Sri Lanka (vào thời của Boltwood, Sri Lanka được gọi là Ceylon) có niên đại lên tới 2,2 tỷ năm. Điều đó cho thấy tuổi của Trái đất ít nhất cũng phải bằng con số này. Mặc dù sai số của Boltwood là hơn 2 tỷ năm (theo ước tính hiện tại, Trái đất khoảng 4,5 tỷ năm tuổi), nhưng phương pháp của ông đã đặt nền móng cho một trong những kỹ thuật xác định tuổi bằng đồng vị phóng xạ nổi tiếng nhất hiện nay.

Đối với các tín đồ Cơ đốc giáo, vũ trụ học trong Kinh thánh cho rằng tuổi của Trái đất khoảng 6.000 năm. Tuy nhiên, các khám phá hóa thạch và địa chất bắt đầu bác bỏ ý tưởng này vào những năm 1700.

Năm 1862, nhà vật lý William Thomson – người cũng được biết đến với tên gọi Lord Kelvin – đã sử dụng tốc độ nguội giả định của Trái đất từ trạng thái nóng chảy để ước tính nó hình thành từ cách đây 20 đến 400 triệu năm. Sau đó, ông rút ngắn con số này xuống còn 20 đến 40 triệu năm, một ước tính khiến Charles Darwin và các nhà triết học tự nhiên khác cảm thấy khó chịu, khi họ tin rằng lịch sử tiến hóa của sự sống trên Trái đất phải lâu hơn rất nhiều. Giới địa chất học đương thời cũng cho rằng khung thời gian này quá ngắn để hình thành nên nhiều lớp đất đá của Trái đất.

Thomson và các nhà vật lý khác vẫn tiếp tục nghiên cứu tuổi của Trái đất dựa trên nhiệt độ, nhưng một khái niệm mới – phóng xạ – đã thay đổi hoàn toàn những nỗ lực nghiên cứu của họ. Vào những năm 1890, Henri Becquerel đã phát hiện chất phóng xạ, và vợ chồng nhà Curie khám phá ra các nguyên tố phóng xạ radium và polonium. “Lúc đó, phóng xạ chưa phải là một ngành khoa học hoàn chỉnh mà chỉ đơn thuần là một tập hợp các sự kiện mới mẻ có rất ít mối liên hệ với nhau”, nhà vật lý người Mỹ Alois F. Kovarik viết trong bản tóm tắt tiểu sử của Boltwood.

Sau đó, vào năm 1902, nhà vật lý Ernest Rutherford và nhà hóa học Frederick Soddy đề xuất rằng phóng xạ là sự biến đổi của một nguyên tố này thành một nguyên tố khác, kèm theo hiện tượng giải phóng bức xạ alpha, beta hoặc gamma trong quá trình phân rã. Họ cũng phát hiện một nguyên tố phóng xạ sẽ phân rã thành một nguyên tố khác với tốc độ được xác định bởi một đặc tính gọi là “chu kỳ bán rã”, hoặc khoảng thời gian cần thiết để một nửa số nguyên tử trong mẫu phân rã.

Năm 1904, Boltwood có mặt trong một khán phòng để nghe bài giảng của Rutherford tại Đại học Yale (Mỹ) về tiềm năng xác định niên đại dựa trên các nguyên tố phóng xạ. Bằng cách xác định lượng nguyên tố phóng xạ và sản phẩm phân rã cuối cùng của nó trong đá, các nhà khoa học có thể tính toán tuổi của đá bằng cách sử dụng chu kỳ bán rã đã biết của nguyên tố đó.

Lấy cảm hứng từ bài giảng này, Boltwood bắt đầu tìm kiếm sản phẩm cuối cùng của quá trình phân rã uranium. Lúc bấy giờ, ông đang làm việc trong phòng thí nghiệm của riêng mình để tư vấn cho các công ty khai thác mỏ, phân tích các mẫu quặng, cũng như thu thập nhiều mẫu khoáng vật trên khắp cả nước. Trong tất cả các mẫu khoáng vật có chứa uranium, Boltwood cũng phát hiện ra chì. Ông kết luận rằng chì là sản phẩm cuối cùng của chuỗi phân rã uranium, và radium là sản phẩm trung gian.

Rutherford, người trao đổi thư từ với Boltwood, đã tán thành ý tưởng này. Dựa trên tính toán của Rutherford, uranium phân rã thành radium, và radium giải phóng năm hạt alpha sẽ tạo ra một nguyên tố có trọng lượng nguyên tử tương đương với chì. “Dựa trên tốc độ phân rã của uranium, chúng ta có thể tính toán thời gian cần thiết để tạo ra các tỷ lệ của chì được tìm thấy trong các khoáng vật khác nhau. Nói cách khác, chúng ta sẽ xác định được niên đại của các khoáng vật đó”, Boltwood viết trong bài báo của ông trên tạp chí American Journal of Science vào năm 1907.

Các tính toán ban đầu của Rutherford về chu kỳ bán rã của radium bị sai lệch, và giá trị này được sửa đổi nhiều lần trong các năm 1905 và 1906.

Boltwood đã sử dụng giá trị chu kỳ bán rã mới nhất khi đó của radium [nhưng vẫn không chính xác] là 2.600 năm để đưa ra một công thức như sau: tuổi của một khối đá bằng 10 tỷ lần tỷ lệ giữa các nguyên tử chì và uranium trong đá. Ông đã áp dụng công thức này cho một loạt các mẫu khoáng vật, bao gồm khoáng vật uraninit ở bang Connecticut (Mỹ) và khoáng vật thorianit được thu thập ở Ceylon – một hòn đảo trên Ấn Độ Dương. Cuối cùng, ông đưa ra ước tính tuổi của Trái đất khoảng 2,2 tỷ năm. Đây là ước tính lâu đời nhất về tuổi của Trái đất từng được đề xuất vào thời điểm đó.

Mặc dù kết quả thu được khá ấn tượng, nhưng nghiên cứu của Boltwood không được đón nhận một cách rộng rãi. Các nhà địa chất đương thời tỏ ra dè dặt trong việc chấp nhận phương pháp xác định niên đại bằng phép đo phóng xạ. Trên thực tế, các tính toán của Boltwood cũng không quá chính xác, một phần là do ông sử dụng giá trị chu kỳ bán rã sai. Ngày nay, chúng ta biết rằng đồng vị radium tồn tại lâu nhất có chu kỳ bán rã 1.600 năm thay vì 2.600 năm, không giống như số liệu mà ông đã sử dụng. Ngoài ra, ông cũng không tính đến sự phân rã của một nguyên tố phóng xạ khác tên là thorium – nguyên tố phân rã thành chì trong một số khoáng vật chứa cả thorium và uranium.

Boltwood đã không tiếp tục nghiên cứu về chủ đề này nữa. Sau khi trở thành giáo sư và đảm nhận vị trí trưởng khoa hóa học phóng xạ của Đại học Yale vào năm 1910, ông giảm bớt các nghiên cứu để tập trung vào công việc giảng dạy và quản lý một số phòng thí nghiệm trong trường.

Nhưng tại thời điểm Kovarik viết tiểu sử về Boltwood vào năm 1929, cộng đồng khoa học đều thừa nhận rằng: “Boltwood là người đã đặt nền móng cho phương pháp tốt nhất hiện nay để tính toán tuổi của Trái đất”.

Ở thời điểm hiện tại, các nhà khoa học xác định tuổi Trái đất khoảng 4,54 tỷ năm, sau khi họ phân tích một thiên thạch rơi xuống Arizona (Mỹ). Đây là thiên thể hình thành trong cùng thời kỳ với hệ Mặt trời và Trái đất. Phương pháp các nhà khoa học phân tích mẫu thiên thạch tương tự phương pháp phân tích phóng xạ mà Boltwood từng sử dụng để phân tích khoáng vật thorianit.

Theo APS Physics