Xác định niên đại của các tác phẩm nghệ thuật đóng vai trò quan trọng trong việc làm rõ lịch sử và bảo tồn những giá trị văn hóa vô giá. Cho đến nay, lần đầu tiên, các bức tranh tường từ cuối thời Trung cổ trong một lâu đài của Pháp và một nhà thờ của Thụy Sĩ đã được xác định niên đại bằng kỹ thuật hạt nhân. Nhờ kỹ thuật tiên phong này, giờ đây các tác phẩm nghệ thuật có thể được xác định niên đại chính xác tuyệt đối.
Xác định niên đại bằng cacbon phóng xạ (thường được gọi đơn giản là xác định niên đại bằng carbon-14) là phương pháp xác định niên đại bằng phương pháp đo phóng xạ. Phương pháp này sử dụng đồng vị phóng xạ carbon-14 (14C) có trong tự nhiên để ước tính tuổi của các vật liệu chứa carbon lên đến khoảng 58.000 đến 62.000 năm tuổi. Carbon có hai đồng vị ổn định, không hoạt tính: carbon-12 (12C) và carbon-13 (13C). Ngoài ra còn có một lượng nhỏ của đồng vị phóng xạ không ổn định carbon-14 (14C) trên Trái đất. Carbon-14 có chu kỳ bán rã tương đối ngắn là 5.730 năm, có nghĩa là phần carbon-14 trong một mẫu giảm một nửa trong suốt 5.730 năm do sự phân rã phóng xạ thành nitơ-14. Đồng vị carbon-14 sẽ biến mất khỏi bầu khí quyển của Trái đất trong vòng chưa đầy một triệu năm nữa nếu không phải do dòng tia vũ trụ liên tục tương tác với các phân tử nitơ (N2) và các nguyên tử nitơ đơn (N) trong tầng bình lưu.
Sơ đồ hình thành carbon-14 (thuận), phân rã carbon-14 (nghịch)
Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Đo lường Carbon-14 tại Trung tâm Paris-Saclay thuộc Ủy ban Năng lượng Thay thế và Năng lượng Nguyên tử (CEA) ở Pháp đã xác định niên đại thành công các mẫu tranh tường từ Château de Germolles (Burgundy, Pháp) và các mảnh thạch cao tường trên các tấm phủ đã biến mất, trong Nhà thờ Cordeliers ở Fribourg (Thụy Sĩ).
Các tác phẩm nghệ thuật có niên đại hàng nghìn năm đã bắt đầu được xác định chính xác tuổi
Phân tách carbon-14
Các loại sơn màu sử dụng ở các tác phẩm nghệ thuật (tranh vẽ hay trên tường, bích họa lớn) là có cấu trúc phức tạp, chứa carbon có nguồn gốc hữu cơ từ chì trắng và carbon vô cơ từ chất màu trắng khác được làm từ canxi cacbonat hoặc từ các loại vật liệu xây dựng. Các loại sơn chứa carbon từ chì trắng gần đây mới có thể xác định niên đại thông qua kỹ thuật sử dụng carbon phóng xạ.
Để có được kết quả này, các nhà nghiên cứu đã phân lập carbon từ chì trắng bằng cách sử dụng phương pháp tách nhiệt, nung các mẫu sơn ở nhiệt độ thấp. Trong những điều kiện phù hợp, chỉ các nguyên tử carbon từ chì trắng được giải phóng dưới dạng khí CO2 – một loại khí dễ thu hồi– trong khi các nguyên tử khác vẫn liên kết với canxi cacbonat và bền ở nhiệt độ 600 ° C.
Bức bích họa ở lâu đài Château de Germolles © Château de Germolles
Sau khi phân lập carbon, phần đồng vị của carbon-14 trong các mẫu khí CO2 được đo và ghi nhận để đánh giá. “Tuổi 14C” liên quan đến các kết quả đo được xác định bằng cách sử dụng “Đường chuẩn 14C”. Các giá trị “độ tuổi” thu được tạo thành từ một số khoảng thời gian mà có thể được thu hẹp bằng cách sử dụng thông tin lịch sử. Ví dụ như đối với bức bích họa ở lâu đài Château de Germolles, dựa trên thời gian mua lại lâu đài, các nhà nghiên cứu đã giới hạn niên đại của các bức tranh này là khoảng từ 1380-1400. Đối với Nhà thờ Cordeliers, kết quả đánh giá giúp phân biệt hai kiểu được nghiên cứu với kiểu cổ nhất có niên đại từ năm 1426-1460. Trong cả hai trường hợp, ngày các bức tranh được thực hiện đều được ghi lại và phù hợp với kết quả phân tích carbon-14.
Chì trắng
Lucile Beck, nhà nghiên cứu của CEA và là người đứng đầu LMC14, giải thích: “Chì trắng là chất màu được sử dụng rộng rãi bởi các nghệ sĩ hàng đầu lịch sử thế giới, đặc biệt là để vẽ tông màu da. Chất này cũng được sử dụng như một lớp nền trong hầu hết các bức tranh. Vì lớp này thường kéo dài ra ngoài rìa bức tranh, nên có thể lấy mẫu từ mà không làm hỏng tác phẩm. Các nhà khoa học của CEA cũng đang làm việc để giảm bớt khối lượng vật liệu cần thiết cho việc phân tích, có thể xác định niên đại tuyệt đối trên các bức tranh bằng kỹ thuật này.
Xác định niên đại bằng carbon -14
Phương pháp xác định niên đại bằng carbon-14 yêu cầu vật liệu hữu cơ từ thực vật hoặc động vật đã hấp thụ CO2 từ khí quyển trong suốt thời gian tồn tại của chúng. Tuy nhiên, chất màu thường thu được bằng cách nghiền các khoáng chất vô cơ, không chứa carbon-14 và chất kết dính hữu cơ mà các họa sĩ sử dụng đã bị phân hủy theo thời gian, hiện hầu như không chứa carbon. Đối với vật liệu được sơn, như gỗ, có thể bị cũ hơn nhiều so với tranh và do đó không phải lúc nào cũng có thể được sử dụng để xác định niên đại của tác phẩm.
Phương pháp xác định niên đại carbon-14 của chì trắng bắt đầu được sử dụng sau khi phát hiện ra carbon-14 trong chì cacbonat được sử dụng làm mỹ phẩm ở Ai Cập cổ đại và Hy Lạp. Các nhà nghiên cứu tại LMC14 đã phát hiện ra rằng cacbon trong cacbonat có nguồn gốc hữu cơ và sắc tố được tạo ra bằng cách tổng hợp hóa học, không phải bằng cách nghiền các khoáng chất.
Toàn bộ quá trình xác định niên đại Cacbon phóng xạ phụ thuộc vào sự phân rã của cacbon-14. Carbon-14 lần đầu tiên được hình thành khi các tia vũ trụ trong khí quyển cho phép tạo ra neutron dư thừa, sau đó phản ứng với nitrogen để tạo ra nguồn cung cấp carbon-14 liên tục bổ sung để trao đổi với các sinh vật. Đồng vị carbon-14 sẽ biến mất khỏi bầu khí quyển của Trái đất trong vòng chưa đầy một triệu năm nữa nếu không phải do dòng chảy liên tục của các tia vũ trụ tương tác với nitơ trong khí quyển. Một trong những cách sử dụng thường xuyên nhất của xác định niên đại bằng cacbon phóng xạ là ước tính tuổi của các di tích có chứa dạng chất hữu cơ.
Từ khóa: xác định niên đại; kỹ thuật hạt nhân; carbon-14;
– CMD&DND –
