Ако искате да знаете на колко години е някой или нещо, обикновено можете да разчитате на някаква комбинация от просто задаване на въпроси или търсене в Google, за да получите точен отговор. Това се отнася за всичко - от епохата на съученик до броя на годините, в които Съединените щати съществуват като суверенна нация (243 и броят от 2019 г.).
Но какво да кажем за епохите на антични предмети, от новооткрит фосил до самата епоха на Земята себе си?
Разбира се, можете да търсите в интернет и да научите доста бързо, че научният консенсус определя възрастта на планетата около 4,6 милиарда години. Но Google не е измислил този номер; вместо това човешката изобретателност и приложната физика са го осигурили.
По-конкретно, процес, наречен радиометрично датиране позволява на учените да определят възрастта на обектите, включително възрастите на скалите, вариращи от хиляди години до милиарди години до чудесна степен на точност.
Това разчита на доказана комбинация от основна математика и познания за физичните свойства на различни химични елементи.
Радиометрични запознанства: Как работи?
Да разбера техники за радиометрични дати, първо трябва да разберете какво се измерва, как се извършва измерването и теоретичните, както и практически ограничения на използваната система за измерване.
Като аналогия, кажете, че се чудите: „Колко топло (или студено) е навън?“ Това, което всъщност търсите тук, е температура, което по същество е описание на това колко бързо молекулите във въздуха се движат и се сблъскват една с друга, преведени в удобно число. Необходимо ви е устройство за измерване на тази активност (термометър, от който съществуват различни видове).
Също така трябва да знаете кога можете или не можете да приложите определен тип устройство към разглежданата задача; например, ако искате да разберете колко е горещо от вътрешната страна на активна печка на дърва, вероятно го разбирате поставянето на домакински термометър, предназначен за измерване на телесната температура в печката, няма да докаже полезно.
Имайте предвид също, че в продължение на много векове повечето човешки „знания“ за ерата на скалите, образувания като Големия каньон и всичко останало около вас е основано на Библията, което твърди, че целият космос е може би 10 000 на възраст.
Съвременните геоложки методи понякога се оказват трънливи пред подобни популярни, но странни и научно неподдържани представи.
Защо да използвам този инструмент?
Радиометричното датиране се възползва от факта, че съставът на някои минерали (скали, вкаменелости и други силно трайни обекти) се променя с течение на времето. По-конкретно, относителните количества на състава им елементи изместване по математически предвидим начин благодарение на явление, наречено радиоактивен разпад.
Това от своя страна разчита на знанието за изотопи, някои от които са „радиоактивни“ (т.е. те спонтанно излъчват субатомни частици с известна скорост).
Изотопи са различни версии на един и същ елемент (например въглерод, уран, калий); те имат еднакъв брой протони, поради което идентичността на елемента не се променя, а различен брой неутрони.
- Вероятно ще срещнете хора и други източници, които се отнасят до методите за радиометрично датиране като "радиовъглеродни дати" или просто „въглеродно датиране“. Това не е по-точно, отколкото да се говори за бягане на 5K, 10K и 100 мили като "маратони" и ще научите защо в малко.
Концепцията за полуживот
Някои неща в природата изчезват с повече или по-малко постоянна скорост, независимо от това с какво трябва да се започне и колко остава. Например, някои лекарства, включително етилов алкохол, се метаболизират от организма с определен брой грамове на час (или каквито и да е единици, които са най-удобни). Ако някой има еквивалент на пет напитки в системата си, тялото отнема пет пъти повече време, за да изчисти алкохола, отколкото ако има едно питие в системата си.
Много вещества обаче, както биологични, така и химични, отговарят на различен механизъм: В даден период от време, половината от веществото ще изчезне за определено време, независимо колко е налице за започване с. За такива вещества се казва, че имат полуживот. Радиоактивните изотопи се подчиняват на този принцип и имат диво различни нива на разпадане.
Полезността на това се крие в възможността да се изчисли с лекота колко от даден елемент е присъствал към момента на неговото формиране въз основа на това колко е наличен по време на измерването. Това е така, защото когато радиоактивните елементи се появят за първи път, се предполага, че те се състоят изцяло от един изотоп.
Тъй като с времето настъпва радиоактивен разпад, все повече и повече от този най-често срещан изотоп „се разпада“ (т.е. се преобразува) в различен изотоп или изотопи; тези продукти на разпад се наричат по подходящ начин дъщерни изотопи.
Дефиниция на сладолед за полуживот
Представете си, че се наслаждавате на определен вид сладолед, подправен с шоколадови чипове. Имате подъл, но не особено умен съквартирант, който не харесва самия сладолед, но не може да устои бране на яденето на чипс - и в опит да избегне откриването, той заменя всеки, който консумира с стафиди.
Той се страхува да направи това с всички шоколадови чипсове, затова вместо това всеки ден прекарва половината от броя на останалия шоколад чипс и поставя стафиди на тяхно място, като никога не завършва напълно дяволската си трансформация на вашия десерт, но се приближава и по близо.
Кажете втори приятел, който е запознат с посещенията по тази уговорка и забелязва, че вашата картонена кутия със сладолед съдържа 70 стафиди и 10 шоколадови чипса. Тя заявява: „Предполагам, че сте пазарували преди около три дни.“ Откъде тя знае това?
Това е просто: Трябва да сте започнали с общо 80 чипа, защото сега имате 70 + 10 = 80 добавки към вашия сладолед. Тъй като вашият съквартирант изяжда половината от чиповете на даден ден, а не фиксиран брой, кашонът трябва да е държал 20 чипа предния ден, 40 ден преди това и 80 ден преди това.
Изчисленията, включващи радиоактивни изотопи, са по-формални, но следват същия основен принцип: Ако знаете времето на полуразпад на радиоактивния елемент и можете да измервате колко от всеки изотоп присъства, можете да разберете възрастта на вкаменелостта, скалата или друго образувание, от което произлиза.
Основни уравнения в радиометричното датиране
Казва се, че елементите, които имат полуживот, се подчиняват на a първа поръчка процес на разпад. Те имат това, което е известно като константа на скоростта, обикновено обозначена с k. Връзката между броя на атомите, присъстващи в началото (N0), числото, присъстващо по време на измерването N, изминалото време t, и константата на скоростта k могат да бъдат записани по два математически еквивалентни начина:
Освен това може да пожелаете да знаете дейност A на проба, обикновено се измерва в разпадания в секунда или dps. Това се изразява просто като:
A = kt
Не е нужно да знаете как се получават тези уравнения, но трябва да сте готови да ги използвате, за да решавате проблеми, свързани с радиоактивни изотопи.
Използване на радиометрични дати
Учените, които се интересуват от установяване на възрастта на вкаменелост или скала, анализират проба, за да определят съотношение на дъщерния изотоп на даден радиоактивен елемент (или изотопи) към неговия родителски изотоп в това проба. Математически от горните уравнения това е N / N0. Със скоростта на разпадане на елемента и следователно неговия полуживот, известен предварително, изчисляването на възрастта му е лесно.
Номерът е да се знае кой от различните често срещани радиоактивни изотопи да се търси. Това от своя страна зависи от приблизителната очаквана възраст на обекта, тъй като радиоактивните елементи се разпадат с изключително различни скорости.
Също така, не всички обекти, които трябва да бъдат датирани, ще имат всеки от елементите, които често се използват; можете да датирате обекти с дадена техника за запознанства само ако те включват необходимото съединение или съединения.
Примери за радиометрични дати
Датиране на уран-олово (U-Pb): Радиоактивният уран се предлага в две форми, уран-238 и уран-235. Числото се отнася до броя на протоните плюс неутроните. Атомният номер на урана е 92, съответстващ на броя на протоните. които се разпадат съответно на олово-206 и олово-207.
Полуживотът на уран-238 е 4,47 милиарда години, докато този на уран-235 е 704 милиона години. Тъй като те се различават с фактор от почти седем (припомняме, че милиард е 1000 пъти милион), това доказва „проверка“ уверете се, че правилно изчислявате възрастта на скалата или вкаменелостите, което прави това сред най-прецизните радиометрични дати методи.
Дългият полуживот прави тази техника за датиране подходяща за особено стари материали от около 1 милион до 4,5 милиарда години.
U-Pb датирането е сложно поради двата изотопа в игра, но това свойство също го прави толкова точен. Методът също е технически предизвикателен, тъй като оловото може да "изтече" от много видове скали, понякога затруднявайки или невъзможно изчисленията.
Датирането с U-Pb често се използва за датиране на магматични (вулканични) скали, което може да бъде трудно да се направи поради липсата на вкаменелости; метаморфни скали; и много стари скали. Всички те са трудни за среща с другите методи, описани тук.
Датиране на рубидий-стронций (Rb-Sr):Радиоактивен рубидий-87 се разпада на стронций-87 с полуживот 48,8 милиарда години. Не е изненадващо, че датирането на Ru-Sr се използва за датиране на много стари скали (всъщност стари колкото Земята, тъй като Земята е „само“ на около 4,6 милиарда години).
Стронций съществува и в други стабилни (т.е. не склонни към разпадане) изотопи, включително стронций-86, -88 и -84, в стабилни количества в други природни организми, скали и т.н. Но тъй като рубидий-87 има изобилие в земната кора, концентрацията на стронций-87 е много по-висока от тази на останалите изотопи на стронций.
След това учените могат да сравнят съотношението на стронций-87 към общото количество стабилни стронциеви изотопи, за да изчислят нивото на разпадане, което води до откритата концентрация на стронций-87.
Тази техника често се използва към днешна дата магматични скали и много стари скали.
Калиев-аргон (K-Ar) датиране: Радиоактивният калиев изотоп е K-40, който се разпада както в калций (Ca), така и в аргон (Ar) в съотношение между 88,8% калций и 11,2% аргон-40.
Аргонът е благороден газ, което означава, че той не реагира и не би бил част от първоначалното образуване на скали или вкаменелости. Следователно всеки аргон, открит в скали или вкаменелости, трябва да бъде резултат от този вид радиоактивен разпад.
Полуживотът на калий е 1,25 милиарда години, което прави тази техника полезна за датиране на скали проби, вариращи от преди около 100 000 години (през епохата на ранните хора) до около 4,3 милиарда преди години. Калият е много изобилен в Земята, което го прави чудесен за датиране, тъй като се намира на някои нива в повечето видове проби. Добре е за датиране на магматични скали (вулканични скали).
Въглерод-14 (C-14) датиране: Въглерод-14 навлиза в организмите от атмосферата. Когато организмът умре, не повече от изотоп въглерод-14 може да влезе в организма и той ще започне да се разпада, започвайки от този момент.
Въглеродът-14 се разпада в азот-14 за най-краткия полуживот от всички методи (5730 години), което го прави идеален за датиране на нови или скорошни фосили. Използва се най-вече само за органични материали, т.е. фосили от животни и растения. Carbon-14 не може да се използва за проби на възраст над 60 000 години.
Във всеки един момент тъканите на живите организми имат еднакво съотношение въглерод-12 към въглерод-14. Когато един организъм умре, както беше отбелязано, той спира да включва нов въглерод в тъканите си и така последващото разпадане на въглерод-14 към азот-14 променя съотношението на въглерод-12 към въглерод-14. Чрез сравняване на съотношението въглерод-12 към въглерод-14 в мъртвото вещество и съотношението, когато този организъм е бил жив, учените могат да изчислят датата на смъртта на организма.