Radiometrické seznamování: Definice, jak to funguje, použití a příklady

Pokud chcete vědět, jak starý je někdo nebo něco, můžete se obecně spolehnout na nějakou kombinaci jednoduchého kladení otázek nebo Googling, abyste dospěli k přesné odpovědi. To platí pro vše od věku spolužáka po počet let, kdy Spojené státy existovaly jako svrchovaný národ (243 a počítáno od roku 2019).

Ale co věky předmětů starověku, od nově objevené fosilie až po samotný věk Země sám?

Jistě, můžete prohledat internet a poměrně rychle se dozvědět, že vědecký konsenzus připisuje stáří planety přibližně 4,6 miliardy let. Google však toto číslo nevymyslel; místo toho to poskytla lidská vynalézavost a aplikovaná fyzika.

Konkrétně se jedná o proces zvaný radiometrické datování umožňuje vědcům určit stáří objektů, včetně stáří hornin, od tisíců let do miliard let až po úžasnou míru přesnosti.

To se opírá o osvědčenou kombinaci základní matematiky a znalosti fyzikálních vlastností různých chemických prvků.

Rozumět radiometrické datovací technikyNejprve musíte pochopit, co se měří, jak se měření provádí a teoretická i praktická omezení použitého systému měření.

Analogicky, řekněme, že vás zajímá, „Jak je venku teplo (nebo zima)?“ To, co zde vlastně hledáte, je teplota, což je v zásadě popis toho, jak rychle se molekuly ve vzduchu pohybují a kolidují, překládané do vhodného čísla. K měření této aktivity potřebujete zařízení (teploměr, jehož existují různé druhy).

Musíte také vědět, kdy můžete nebo nemůžete použít konkrétní typ zařízení na danou úlohu; například pokud chcete vědět, jak je uvnitř aktivní kamny na dřevo horké, asi tomu rozumíte vložení domácího teploměru určeného k měření tělesné teploty do sporáku se neprokáže ochotný.

Uvědomte si také, že po mnoho století většina lidských „znalostí“ o věku skal, formacích, jako je Grand Canyon, a všechno ostatní kolem vás bylo založeno na biblické zprávě Genesis, která předpokládá, že celý vesmír je asi 10 000 let.

Moderní geologické metody se občas ukázaly jako trnité tváří v tvář tak populárním, ale kuriózním a vědecky nepodloženým představám.

Radiometrické datování využívá skutečnosti, že složení určitých minerálů (horniny, fosilie a jiné vysoce odolné předměty) se v průběhu času mění. Konkrétně relativní množství jejich složky elementy posun matematicky předvídatelným způsobem díky fenoménu zvanému radioaktivní rozpad.

To se zase spoléhá na znalost izotopy, z nichž některé jsou „radioaktivní“ (tj. spontánně emitují subatomární částice známou rychlostí).

Izotopy jsou různé verze stejného prvku (např. uhlík, uran, draslík); mají stejný počet protony, což je důvod, proč se nemění identita prvku, ale různý počet neutrony.

• Je pravděpodobné, že se setkáte s lidmi a jinými zdroji, které radiometrické datovací metody obecně označují jako „radiokarbonové datování“ nebo jen „uhlíkové randění.“ To není o nic přesnější než označovat běžecké závody 5K, 10K a 100 mil jako „maratony“ a naučíte se proč bit.

Některé věci v přírodě mizí víceméně konstantní rychlostí, bez ohledu na to, kolik toho je třeba začít a kolik zbývá. Například některé léky, včetně ethylalkoholu, jsou tělem metabolizovány v pevně daném počtu gramů za hodinu (nebo v jakýchkoli nejvhodnějších jednotkách). Pokud má někdo ve svém systému ekvivalent pěti nápojů, alkoholu trvá pětkrát déle, než kdyby měl ve svém systému jeden nápoj.

Mnoho látek, jak biologických, tak chemických, odpovídá jinému mechanismu: V daném Po určité době zmizí polovina látky ve stanoveném čase bez ohledu na to, kolik je k dispozici s. O těchto látkách se říká, že mají poločas rozpadu. Radioaktivní izotopy tento princip dodržují a mají velmi odlišné rychlosti rozpadu.

Užitečnost spočívá v tom, že je možné snadno vypočítat, kolik daného prvku bylo přítomno v době, kdy byl vytvořen, na základě toho, kolik je přítomno v době měření. Je to proto, že když radioaktivní prvky poprvé vzniknou, předpokládá se, že se skládají výhradně z jediného izotopu.

Jak radioaktivní rozpad nastává v průběhu času, stále více tohoto nejběžnějšího izotopu se „rozpadá“ (tj. Přeměňuje se) na jiný izotop nebo izotopy; tyto produkty rozpadu se vhodně nazývají dcera izotopy.

Představte si, že vám chutná určitý druh zmrzliny ochucené čokoládovými lupínky. Máte záludného, ​​ale nijak zvlášť chytrého spolubydlícího, kterému se samotná zmrzlina nelíbí, ale nedokáže odolat vybírat si žetony - a ve snaze vyhnout se odhalení nahradí každý, který konzumuje, a rozinka.

Bojí se to udělat se všemi čokoládovými lupínky, takže místo toho každý den vytáhne polovinu počtu zbývající čokolády čipy a umístí na své místo rozinky, nikdy nedokončí svou ďábelskou transformaci vašeho dezertu, ale přiblíží se a blíže.

Řekněte, že druhý přítel, který si je vědom tohoto ujednání, navštíví a všimne si, že váš kartón zmrzliny obsahuje 70 rozinek a 10 čokoládových lupínků. Prohlašuje: „Myslím, že jsi šel nakupovat asi před třemi dny.“ Jak to ví?

Je to jednoduché: Určitě jste začali s celkem 80 žetony, protože nyní máte do zmrzliny celkem 70 + 10 = 80 přísad. Protože váš spolubydlící sní v kterýkoli den polovinu žetonů, a nikoli pevné číslo, v krabici musí být 20 žetonů den předtím, 40 den před tím a 80 den před tím.

Výpočty zahrnující radioaktivní izotopy jsou formálnější, ale řídí se stejným základním principem: Pokud znáte poločas radioaktivního prvku a můžete měřit, kolik každého izotopu je přítomno, můžete zjistit věk fosílie, horniny nebo jiné entity, z níž pochází.

U prvků, které mají poločasy, se říká, že poslouchají a první objednávka proces rozpadu. Mají takzvanou rychlostní konstantu, obvykle označenou k. Vztah mezi počtem atomů přítomných na začátku (N₀), číslo přítomné v době měření N uplynulý čas t a rychlostní konstanta k lze zapsat dvěma matematicky ekvivalentními způsoby:

N = N₀E^−kt

nebo

ln [N / N₀] = −kt

Možná budete chtít znát aktivita A vzorku, obvykle měřeno v dezintegracích za sekundu nebo v dps. To je vyjádřeno jednoduše jako:

A = kt

Nepotřebujete vědět, jak jsou tyto rovnice odvozeny, ale měli byste být připraveni je použít k řešení problémů s radioaktivními izotopy.

Vědci, kteří se zajímají o věk fosilií nebo hornin, analyzují vzorek a určují poměr dceřiného izotopu (nebo izotopů) daného radioaktivního prvku v tom vzorek. Matematicky z výše uvedených rovnic je to N / N₀. S rychlostí rozpadu prvku, a tedy s jeho poločasem rozpadu, známým předem, je výpočet jeho věku přímočarý.

Trik spočívá ve znalostech, které z různých běžných radioaktivních izotopů hledat. To zase závisí na přibližném očekávaném stáří objektu, protože radioaktivní prvky se rozpadají enormně odlišnou rychlostí.

Také ne všechny objekty, které mají být datovány, budou mít každý z běžně používaných prvků; položky s danou datovací technikou můžete datovat, pouze pokud obsahují požadovanou sloučeninu nebo sloučeniny.

Seznamování uranového olova (U-Pb): Radioaktivní uran má dvě formy, uran 238 a uran 235. Číslo se vztahuje k počtu protonů plus neutronů. Atomové číslo uranu je 92, což odpovídá jeho počtu protonů. které se rozpadají na olovo-206, respektive olovo-207.

Poločas uranu 238 je 4,47 miliardy let, zatímco poločas uranu 235 je 704 milionů let. Protože se liší téměř sedmkrát (připomeňme, že miliarda je 1 000krát milión), což dokazuje „kontrolu“ ujistěte se, že správně počítáte věk horniny nebo fosilií, což z něj činí nejpřesnější radiometrické datování metody.

Díky dlouhým poločasům je tato datovací technika vhodná zejména pro staré materiály staré od 1 milionu do 4,5 miliardy let.

Datování U-Pb je složité kvůli dvěma izotopům ve hře, ale díky této vlastnosti je také tak přesný. Metoda je také technicky náročná, protože olovo může „vytékat“ z mnoha druhů hornin, což někdy ztěžuje nebo znemožňuje výpočty.

Datování U-Pb se často používá k datování vyvřelých (vulkanických) hornin, což je obtížné kvůli nedostatku fosilií; metamorfované horniny; a velmi staré kameny. To vše je s jinými metodami popsanými zde obtížné.

Rubidium-stroncium (Rb-Sr) datování:Radioaktivní rubidium-87 se rozpadá na stroncium-87 s poločasem rozpadu 48,8 miliard let. Není divu, že datování Ru-Sr se používá k datování velmi starých hornin (stejně starých jako Země, protože Země je „jen“ stará přibližně 4,6 miliardy let).

Stroncium existuje v jiných stabilních (tj. Ne náchylných k rozpadu) izotopů, včetně stroncia-86, -88 a -84, ve stabilním množství v jiných přírodních organismech, horninách atd. Ale protože rubidium-87 je v zemské kůře hojné, je koncentrace stroncia-87 mnohem vyšší než u ostatních izotopů stroncia.

Vědci pak mohou porovnat poměr stroncia-87 k celkovému množství stabilních izotopů stroncia k výpočtu úrovně rozpadu, která produkuje detekovanou koncentraci stroncia-87.

Tato technika se často používá dodnes vyvřeliny a velmi staré kameny.

Datování draslík-argon (K-Ar): Radioaktivním izotopem draslíku je K-40, který se rozpadá na vápník (Ca) a argon (Ar) v poměru 88,8% vápníku k 11,2% argon-40.

Argon je ušlechtilý plyn, což znamená, že je nereaktivní a nebyl by součástí počátečního formování hornin nebo fosilií. Jakýkoli argon nalezený ve skalách nebo fosíliích musí být proto výsledkem tohoto druhu radioaktivního rozpadu.

Poločas draslíku je 1,25 miliardy let, takže je tato technika užitečná pro datování hornin vzorky v rozmezí od asi 100 000 let (ve věku raných lidí) po přibližně 4,3 miliardy před lety. Draslík je na Zemi velmi hojný, takže je skvělý pro datování, protože se nachází v některých úrovních ve většině druhů vzorků. Je to dobré pro datování magmatických hornin (vulkanické horniny).

Uhlík-14 (C-14) datování: Uhlík-14 vstupuje do organismů z atmosféry. Když organismus zemře, už ne izotop uhlíku-14 může vstoupit do organismu a od tohoto bodu se začne rozpadat.

Uhlík-14 se rozpadá na dusík-14 v nejkratším poločase všech metod (5 730 let), což je ideální pro datování nových nebo nedávných fosilií. Většinou se používá pouze pro organické materiály, tj. Fosilie zvířat a rostlin. Uhlík-14 nelze použít pro vzorky starší než 60 000 let.

V daném okamžiku mají všechny živé tkáně stejný poměr uhlíku-12 k uhlíku-14. Když organismus zemře, jak bylo poznamenáno, přestane do svých tkání vnášet nový uhlík, a tak následný rozpad uhlíku-14 na dusík-14 mění poměr uhlíku-12 k uhlíku-14. Porovnáním poměru uhlíku-12 k uhlíku-14 v mrtvé hmotě k poměru, kdy byl tento organismus naživu, mohou vědci odhadnout datum smrti organismu.