التأريخ الإشعاعي: التعريف ، كيف يعمل ، الاستخدامات والأمثلة

إذا كنت تريد معرفة عمر شخص ما أو شيء ما ، فيمكنك عمومًا الاعتماد على مزيج من مجرد طرح الأسئلة أو البحث في Google للوصول إلى إجابة دقيقة. ينطبق هذا على كل شيء بدءًا من عمر زميل الدراسة وحتى عدد سنوات وجود الولايات المتحدة كدولة ذات سيادة (243 عامًا اعتبارًا من عام 2019).

ولكن ماذا عن عصور الأشياء القديمة ، من الحفرية المكتشفة حديثًا إلى عصر العصر أرض بحد ذاتها؟

بالتأكيد ، يمكنك البحث في الإنترنت والتعرف بسرعة إلى حد ما على أن الإجماع العلمي يحد من عمر الكوكب تقريبًا 4.6 مليار سنة. لكن جوجل لم تخترع هذا الرقم. بدلاً من ذلك ، قدمته براعة الإنسان والفيزياء التطبيقية.

على وجه التحديد ، تسمى عملية التأريخ الإشعاعي يسمح للعلماء بتحديد أعمار الأشياء ، بما في ذلك أعمار الصخور ، والتي تتراوح من آلاف السنين إلى مليارات السنين إلى درجة رائعة من الدقة.

يعتمد هذا على مجموعة مثبتة من الرياضيات الأساسية ومعرفة الخصائص الفيزيائية للعناصر الكيميائية المختلفة.

لفهم تقنيات التأريخ الإشعاعي، عليك أولاً أن تفهم ما يتم قياسه وكيف يتم القياس والقيود النظرية والعملية لنظام القياس المستخدم.

على سبيل القياس ، لنفترض أنك تجد نفسك تتساءل ، "ما مدى الدفء (أو البرودة) في الخارج؟" ما تبحث عنه هنا في الواقع هو ملف درجة الحرارة، وهو في الأساس وصف لمدى سرعة تحرك الجزيئات في الهواء وتصادمها مع بعضها البعض ، وترجمته إلى رقم مناسب. أنت بحاجة إلى جهاز لقياس هذا النشاط (مقياس حرارة ، يوجد منه أنواع مختلفة).

تحتاج أيضًا إلى معرفة متى يمكنك أو لا يمكنك تطبيق نوع معين من الأجهزة على المهمة الحالية ؛ على سبيل المثال ، إذا كنت تريد معرفة درجة الحرارة داخل موقد خشبي نشط ، فمن المحتمل أنك تفهم ذلك لن يثبت وضع مقياس حرارة منزلي مخصص لقياس درجة حرارة الجسم داخل الموقد متعاون.

انتبه أيضًا إلى أن معظم "المعرفة" البشرية لعصر الصخور والتكوينات مثل جراند كانيون و كل شيء آخر من حولك كان مبنيًا على رواية سفر التكوين للكتاب المقدس ، والتي تفترض أن الكون بأكمله ربما يكون 10000 سنة.

أثبتت الأساليب الجيولوجية الحديثة في بعض الأحيان أنها شائكة في مواجهة مثل هذه المفاهيم الشائعة ولكنها غريبة وغير مدعومة علميًا.

يستفيد التأريخ الإشعاعي من حقيقة أن تكوين بعض المعادن (الصخور والحفريات وغيرها من الأشياء شديدة التحمل) يتغير بمرور الوقت. على وجه التحديد ، الكميات النسبية من مكوناتها عناصر التحول بطريقة يمكن التنبؤ بها رياضيًا بفضل ظاهرة تسمى الاضمحلال الإشعاعي.

وهذا بدوره يعتمد على المعرفة النظائر، وبعضها "مشع" (أي أنها تنبعث تلقائيًا من الجسيمات دون الذرية بمعدل معروف).

النظائر هي إصدارات مختلفة من نفس العنصر (على سبيل المثال ، الكربون واليورانيوم والبوتاسيوم) ؛ لديهم نفس العدد من البروتونات، وهذا هو السبب في أن هوية العنصر لا تتغير ، ولكن الأعداد المختلفة من النيوترونات.

• من المحتمل أن تصادف أشخاصًا ومصادر أخرى تشير إلى طرق التأريخ الإشعاعي بشكل عام باسم "التأريخ بالكربون المشع" أو مجرد "تاريخ الكربون." هذا ليس أكثر دقة من الإشارة إلى سباقات الجري لمسافة 5 كيلومترات و 10 كيلومترات و 100 ميل على أنها "سباقات الماراثون" ، وستتعرف على السبب في قليلا.

تختفي بعض الأشياء في الطبيعة بمعدل ثابت إلى حد ما ، بغض النظر عن مقدار ما يجب أن تبدأ به وكم تبقى. على سبيل المثال ، يتم استقلاب بعض الأدوية ، بما في ذلك الكحول الإيثيلي ، بواسطة الجسم عند عدد ثابت من الجرامات في الساعة (أو أي وحدة أكثر ملاءمة). إذا كان لدى شخص ما ما يعادل خمسة مشروبات في نظامه ، فإن الجسم يستغرق خمسة أضعاف الوقت لإزالة الكحول كما لو كان لديه شراب واحد في نظامه.

ومع ذلك ، فإن العديد من المواد ، البيولوجية والكيميائية ، تتوافق مع آلية مختلفة: في بعض فترة زمنية ، سيختفي نصف المادة في وقت محدد بغض النظر عن المقدار الموجود للبدء مع. يقال أن هذه المواد لها نصف الحياة. تخضع النظائر المشعة لهذا المبدأ ، ولها معدلات تحلل مختلفة تمامًا.

تكمن فائدة ذلك في القدرة على حساب مقدار عنصر معين كان موجودًا في وقت تكوينه بسهولة بناءً على مقدار وجوده في وقت القياس. هذا لأنه عندما تظهر العناصر المشعة لأول مرة ، يُفترض أنها تتكون بالكامل من نظير واحد.

نظرًا لحدوث التحلل الإشعاعي بمرور الوقت ، فإن المزيد والمزيد من هذا النظير الأكثر شيوعًا "يتحلل" (أي يتم تحويله) إلى نظائر أو نظائر مختلفة ؛ يتم استدعاء منتجات الاضمحلال هذه بشكل مناسب نظائر الابنة.

تخيل أنك تستمتع بنوع معين من الآيس كريم بنكهة رقائق الشوكولاتة. لديك زميل متستر ، ولكن ليس ذكيًا بشكل خاص ، لا يحب الآيس كريم نفسه ، ولكن لا يمكنه المقاومة يختار تناول رقائق البطاطس - وفي محاولة لتجنب اكتشافه ، يستبدل كل واحدة يستهلكها بـ زبيب.

إنه خائف من القيام بذلك مع جميع رقائق الشوكولاتة ، لذلك بدلاً من ذلك ، كل يوم ، يقوم بتمرير نصف الكمية المتبقية من الشوكولاتة رقائق البطاطس ويضع الزبيب في مكانها ، ولا يكمل أبدًا تحوله الشيطاني للحلوى ، ولكن يقترب أقرب.

قل صديقًا ثانيًا على علم بهذا الترتيب من الزيارات ولاحظ أن علبة الآيس كريم الخاصة بك تحتوي على 70 حبة زبيب و 10 رقائق شوكولاتة. تعلن ، "أعتقد أنك ذهبت للتسوق منذ حوالي ثلاثة أيام." كيف تعرف هذا؟

الأمر بسيط: لابد أنك بدأت بإجمالي 80 قطعة ، لأن لديك الآن 70 + 10 = 80 مادة مضافة للآيس كريم. نظرًا لأن زميلك في السكن يأكل نصف الرقائق في أي يوم ، وليس رقمًا ثابتًا ، فلا بد أن الكرتونة تحتوي على 20 قطعة في اليوم السابق ، و 40 في اليوم السابق لذلك ، و 80 في اليوم السابق لذلك.

تعتبر الحسابات التي تتضمن النظائر المشعة أكثر رسمية ولكنها تتبع نفس المبدأ الأساسي: إذا كنت تعرف عمر النصف للعنصر المشع ويمكنك قياس مقدار كل نظير موجود ، يمكنك معرفة عمر الحفرية أو الصخرة أو أي كيان آخر يأتي منه.

يقال إن العناصر التي لها نصف عمر تطيع أ الطلب الأول عملية الاضمحلال. لديهم ما يعرف بثابت المعدل ، وعادة ما يشار إليه بـ k. العلاقة بين عدد الذرات الموجودة في البداية (N.₀) ، العدد الموجود في وقت القياس N الوقت المنقضي t ، وثابت المعدل k يمكن كتابته بطريقتين مكافئتين رياضيًا:

ن = ن₀ه^−kt

أو

ln [N / N₀] = −kt

بالإضافة إلى ذلك ، قد ترغب في معرفة نشاط عينة من العينة ، تُقاس عادةً بالتفكك في الثانية أو dps. يتم التعبير عن هذا ببساطة على النحو التالي:

أ = عقدة

لا تحتاج إلى معرفة كيفية اشتقاق هذه المعادلات ، ولكن يجب أن تكون مستعدًا لاستخدامها ، لذا عليك حل المشكلات المتعلقة بالنظائر المشعة.

العلماء المهتمون بمعرفة عمر الحفرية أو الصخور تحليل عينة لتحديد نسبة نظير ابنة عنصر مشع معين (أو نظائر) إلى نظيرها الأصلي في ذلك عينة. رياضيا ، من المعادلات أعلاه ، هذا N / N₀. مع معدل اضمحلال العنصر ، وبالتالي نصف عمره المعروف مسبقًا ، يكون حساب عمره واضحًا.

الحيلة هي معرفة أي من النظائر المشعة المختلفة التي يجب البحث عنها. وهذا بدوره يعتمد على العمر التقريبي المتوقع للجسم لأن العناصر المشعة تتحلل بمعدلات مختلفة بشكل كبير.

أيضًا ، لن تحتوي جميع الكائنات التي سيتم تأريخها على كل عنصر من العناصر شائعة الاستخدام ؛ يمكنك فقط تحديد تاريخ العناصر باستخدام تقنية تأريخ معينة إذا كانت تتضمن المركب أو المركبات المطلوبة.

تأريخ اليورانيوم الرصاص (U-Pb): يأتي اليورانيوم المشع في شكلين ، اليورانيوم 238 واليورانيوم 235. يشير الرقم إلى عدد البروتونات بالإضافة إلى النيوترونات. العدد الذري لليورانيوم هو 92 ، وهو ما يقابل عدد البروتونات. التي تتحلل إلى الرصاص 206 و الرصاص 207 على التوالي.

يبلغ عمر النصف لليورانيوم 238 4.47 مليار سنة ، بينما يبلغ عمر النصف لليورانيوم -235 704 ملايين سنة. نظرًا لأن هذه تختلف بمعامل يصل إلى سبعة (تذكر أن المليار هو 1000 مرة في المليون) ، فإنه يثبت "شيك" تأكد من أنك تحسب عمر الصخرة أو الحفرية بشكل صحيح ، مما يجعل هذا من بين أدق المواعدة الإشعاعية أساليب.

تجعل فترات نصف العمر الطويلة تقنية التأريخ هذه مناسبة بشكل خاص للمواد القديمة ، من حوالي مليون إلى 4.5 مليار سنة.

يعتبر التأريخ على شكل U-Pb معقدًا نظرًا لوجود نظيرين قيد التشغيل ، ولكن هذه الخاصية هي أيضًا ما يجعلها دقيقة للغاية. تعتبر هذه الطريقة أيضًا صعبة من الناحية الفنية لأن الرصاص يمكن أن "يتسرب" من العديد من أنواع الصخور ، مما يجعل الحسابات صعبة أو مستحيلة في بعض الأحيان.

غالبًا ما يتم استخدام التأريخ على شكل U-Pb لتأريخ الصخور النارية (البركانية) ، والتي قد يكون من الصعب القيام بها بسبب نقص الأحافير ؛ الصخور المتحولة؛ وصخور قديمة جدًا. من الصعب مواعدة كل هذه الطرق مع الطرق الأخرى الموضحة هنا.

المواعدة بين الروبيديوم والسترونشيوم (Rb-Sr):المشعة يتحلل الروبيديوم 87 إلى السترونشيوم 87 مع عمر نصف 48.8 مليار سنة. ليس من المستغرب أن تستخدم المواعدة Ru-Sr لتاريخ الصخور القديمة جدًا (قديمة قدم الأرض ، في الواقع ، لأن الأرض "فقط" عمرها حوالي 4.6 مليار سنة).

يوجد السترونشيوم في نظائر مستقرة أخرى (أي ليست عرضة للتحلل) ، بما في ذلك السترونشيوم -86 و -88 و -84 ، بكميات ثابتة في الكائنات الطبيعية الأخرى والصخور وما إلى ذلك. ولكن نظرًا لوفرة الروبيديوم -87 في القشرة الأرضية ، فإن تركيز السترونشيوم 87 أعلى بكثير من نظائر السترونشيوم الأخرى.

يمكن للعلماء بعد ذلك مقارنة نسبة السترونشيوم -87 إلى الكمية الإجمالية لنظائر السترونتيوم المستقرة لحساب مستوى الاضمحلال الذي ينتج التركيز المكتشف للسترونتيوم -87.

غالبًا ما تستخدم هذه التقنية حتى الآن الصخور النارية وصخور قديمة جدًا.

تأريخ البوتاسيوم والأرجون (K-Ar): نظير البوتاسيوم المشع هو K-40 ، والذي يتحلل إلى كالسيوم (Ca) والأرجون (Ar) بنسبة 88.8٪ كالسيوم إلى 11.2٪ أرجون -40.

الأرجون هو غاز نبيل ، مما يعني أنه غير متفاعل ولن يكون جزءًا من التكوين الأولي لأي صخور أو أحافير. لذلك يجب أن يكون أي أرجون موجود في الصخور أو الحفريات نتيجة لهذا النوع من الاضمحلال الإشعاعي.

يبلغ عمر النصف للبوتاسيوم 1.25 مليار سنة ، مما يجعل هذه التقنية مفيدة لتأريخ الصخور تتراوح العينات منذ حوالي 100000 عام (خلال عصر البشر الأوائل) إلى حوالي 4.3 مليار منذ سنوات. البوتاسيوم وفير جدًا في الأرض ، مما يجعله رائعًا للتعارف لأنه يوجد في بعض المستويات في معظم أنواع العينات. إنه جيد لتأريخ الصخور النارية (الصخور البركانية).

تأريخ الكربون 14 (C-14): يدخل الكربون 14 إلى الكائنات الحية من الغلاف الجوي. عندما يموت الكائن الحي ، لا يوجد المزيد من نظير الكربون 14 يمكن أن يدخل الكائن الحي ، وسيبدأ في التحلل بدءًا من تلك النقطة.

يتحلل الكربون 14 إلى نيتروجين -14 في أقصر نصف عمر لجميع الطرق (5730 عامًا) ، مما يجعله مثاليًا لتحديد تاريخ الحفريات الجديدة أو الحديثة. يستخدم في الغالب فقط للمواد العضوية ، أي الحفريات الحيوانية والنباتية. لا يمكن استخدام الكربون 14 للعينات التي يزيد عمرها عن 60 ألف عام.

في أي وقت ، تمتلك أنسجة الكائنات الحية النسبة نفسها من الكربون -12 إلى الكربون -14. عندما يموت الكائن الحي ، كما لوحظ ، يتوقف عن دمج الكربون الجديد في أنسجته ، وبالتالي فإن الانحلال اللاحق للكربون 14 إلى النيتروجين 14 يغير نسبة الكربون 12 إلى الكربون 14. من خلال مقارنة نسبة الكربون -12 إلى الكربون -14 في المادة الميتة مع النسبة عندما كان هذا الكائن الحي على قيد الحياة ، يمكن للعلماء تقدير تاريخ وفاة الكائن الحي.