Hvis du vil vide, hvor gammel nogen eller noget er, kan du generelt stole på en kombination af blot at stille spørgsmål eller Googling for at nå frem til et præcist svar. Dette gælder alt fra en klassekammerats alder til det antal år, som USA har eksisteret som en suveræn nation (243 og tæller fra og med 2019).
Men hvad med alderen for antikke objekter, fra en nyopdaget fossil til selve alderen af jorden sig selv?
Sikker på, du kan gennemsøge Internettet og lære temmelig hurtigt, at den videnskabelige konsensus knytter planetens alder omkring 4,6 milliarder år. Men Google opfandt ikke dette nummer; i stedet har menneskelig opfindsomhed og anvendt fysik leveret det.
Specifikt en proces kaldet radiometrisk dating gør det muligt for forskere at bestemme objekternes alder, inklusive klippernes alder, der spænder fra tusinder af år til milliarder år gamle til en fantastisk grad af nøjagtighed.
Dette er afhængig af en gennemprøvet kombination af grundlæggende matematik og kendskab til de forskellige kemiske grundstoffers fysiske egenskaber.
Radiometrisk dating: Hvordan fungerer det?
At forstå radiometriske dateringsteknikker, skal du først have en forståelse af, hvad der måles, hvordan målingen foretages og de teoretiske såvel som praktiske begrænsninger for det målesystem, der bruges.
Som en analogi skal du sige, at du undrer dig over, "Hvor varmt (eller koldt) er det udenfor?" Hvad du faktisk leder efter her er temperatur, som grundlæggende er en beskrivelse af, hvor hurtigt molekyler i luften bevæger sig og kolliderer med hinanden, oversat til et praktisk nummer. Du har brug for en enhed til at måle denne aktivitet (et termometer, som der findes forskellige slags).
Du skal også vide, hvornår du kan eller ikke kan anvende en bestemt type enhed til den aktuelle opgave; for eksempel, hvis du vil vide, hvor varmt det er på indersiden af en aktiv brændeovn, forstår du sandsynligvis det at lægge et husholdningstermometer, der er beregnet til at måle kropstemperatur inde i komfuret, vil ikke bevise nyttig.
Vær også opmærksom på, at de fleste menneskelige "viden" om klippernes tidsalder, formationer såsom Grand Canyon, og i mange århundreder alt andet omkring dig var baseret på Genesis-beretningen om Bibelen, som antyder, at hele kosmos måske er 10.000 år gammel.
Moderne geologiske metoder har til tider vist sig vanskelige i lyset af sådanne populære, men maleriske og videnskabeligt ikke-understøttede forestillinger.
Hvorfor bruge dette værktøj?
Radiometrisk datering udnytter det faktum, at sammensætningen af visse mineraler (klipper, fossiler og andre meget holdbare genstande) ændres over tid. Specifikt de relative mængder af deres bestanddel elementer skift på en matematisk forudsigelig måde takket være et fænomen kaldet Radioaktivt henfald.
Dette afhænger igen af kendskab til isotoperhvoraf nogle er "radioaktive" (dvs. de udsender spontant subatomære partikler med en kendt hastighed).
Isotoper er forskellige versioner af det samme element (f.eks. kulstof, uran, kalium); de har det samme antal protoner, hvilket er grunden til, at elementets identitet ikke ændres, men forskellige antal neutroner.
- Du vil sandsynligvis støde på mennesker og andre kilder, der refererer til radiometriske dateringsmetoder generelt som "radiocarbon dating" eller bare "kulstofdating." Dette er ikke mere nøjagtigt end at henvise til 5K, 10K og 100 mil løbsløb som "maratonløb", og du lærer hvorfor i en bit.
Begrebet halveringstid
Nogle ting i naturen forsvinder mere eller mindre konstant, uanset hvor meget der er at starte med, og hvor meget der er tilbage. For eksempel metaboliseres visse stoffer, herunder ethylalkohol, af kroppen med et fast antal gram i timen (eller hvilke enheder der er mest bekvemme). Hvis nogen har det samme som fem drinks i hans system, tager kroppen fem gange så lang tid at rydde alkoholen, som den ville, hvis han havde en drink i sit system.
Mange stoffer overholder imidlertid en anden mekanisme, både biologiske og kemiske: I en given tidsperiode, vil halvdelen af stoffet forsvinde på en fast tid, uanset hvor meget der er til stede for at starte med. Sådanne stoffer siges at have en halvt liv. Radioaktive isotoper overholder dette princip, og de har meget forskellige henfaldshastigheder.
Nytten ved dette ligger i at være i stand til let at beregne, hvor meget af et givet element der var til stede på det tidspunkt, det blev dannet, baseret på hvor meget der var til stede på måletidspunktet. Dette skyldes, at når radioaktive elementer først opstår, formodes de at bestå udelukkende af en enkelt isotop.
Da radioaktivt henfald forekommer over tid, "henfalder" mere og mere af denne mest almindelige isotop (dvs. omdannes) til en anden isotop eller isotoper; disse henfaldsprodukter kaldes passende datter isotoper.
En isdefinition af halveringstid
Forestil dig, at du nyder en bestemt type is smagt med chokoladechips. Du har en luskede, men ikke særlig kloge, værelseskammerat, der ikke kan lide isen selv, men ikke kan modstå vælger at spise chipsene - og i et forsøg på at undgå afsløring erstatter han hver han spiser med en rosin.
Han er bange for at gøre dette med alle chokoladechips, så i stedet stryger han hver dag halvdelen af antallet af resterende chokolade chips og sætter rosiner på deres sted, uden at fuldføre sin djævelsk forvandling af din dessert, men kommer tættere og tættere.
Sig en anden ven, der er opmærksom på dette arrangement, besøger og bemærker, at din karton med is indeholder 70 rosiner og 10 chokoladechips. Hun erklærer, "Jeg antager, at du gik på indkøb for omkring tre dage siden." Hvordan ved hun det?
Det er simpelt: Du skal have startet med i alt 80 chips, fordi du nu har 70 + 10 = 80 tilsætningsstoffer i alt til din is. Fordi din værelseskammerat spiser halvdelen af chips på en given dag og ikke et fast antal, skal kartonen have holdt 20 chips dagen før, 40 dagen før den og 80 dagen før den.
Beregninger, der involverer radioaktive isotoper, er mere formelle, men følger det samme grundlæggende princip: Hvis du kender halveringstiden for det radioaktive element og kan måle, hvor meget af hver isotop, der er til stede, kan du finde ud af alderen på den fossile, sten eller anden enhed, den kommer fra.
Nøgleligninger i radiometrisk datering
Elementer, der har halveringstid, siges at adlyde en første orden henfaldsproces. De har det, der er kendt som en hastighedskonstant, normalt betegnet med k. Forholdet mellem antallet af atomer til stede i starten (N0), antallet til stede på tidspunktet for måling N den forløbne tid t, og hastighedskonstanten k kan skrives på to matematisk ækvivalente måder:
Derudover ønsker du måske at kende aktivitet A af en prøve, typisk målt i opløsning i sekundet eller dps. Dette udtrykkes simpelthen som:
A = kt
Du behøver ikke vide, hvordan disse ligninger er afledt, men du skal være parat til at bruge dem, så løs problemer, der involverer radioaktive isotoper.
Anvendelse af radiometrisk dating
Forskere, der er interesserede i at finde ud af alderen på en fossil eller sten, analyserer en prøve for at bestemme forholdet mellem et givet radioaktivt elements datterisotop (eller isotoper) og dets overordnede isotop i den prøve. Matematisk er det fra ovenstående ligninger N / N0. Med elementets nedbrydningshastighed og dermed dets på forhånd kendt halveringstid er det ligetil at beregne dets alder.
Tricket er at vide, hvilke af de forskellige almindelige radioaktive isotoper at kigge efter. Dette afhænger igen af objektets omtrentlige forventede alder, fordi radioaktive grunde henfalder med enormt forskellige hastigheder.
Det er heller ikke alle objekter, der skal dateres, vil have hvert af de almindeligt anvendte elementer; du kan kun datere varer med en given dateringsteknik, hvis de inkluderer den eller de nødvendige forbindelser.
Eksempler på radiometrisk dating
Uranium-bly (U-Pb) dating: Radioaktivt uran findes i to former, uran-238 og uran-235. Antallet henviser til antallet af protoner plus neutroner. Uraniums atomnummer er 92 svarende til dets antal protoner. som henfalder til henholdsvis bly-206 og bly-207.
Halveringstiden for uran-238 er 4,47 milliarder år, mens uran-235 er 704 millioner år. Fordi disse adskiller sig med en faktor på næsten syv (husk at en milliard er 1.000 gange en million), viser det sig en "check" til Sørg for, at du beregner stenens eller fossilens alder korrekt, hvilket gør dette til den mest præcise radiometriske datering metoder.
De lange halveringstider gør denne dateringsteknik velegnet til især gamle materialer, fra omkring 1 million til 4,5 milliarder år gamle.
U-Pb-datering er kompleks på grund af de to isotoper, der er i spil, men denne egenskab er også det, der gør det så præcist. Metoden er også teknisk udfordrende, fordi bly kan "lække" ud af mange stenarter, hvilket undertiden gør beregningerne vanskelige eller umulige.
U-Pb-datering bruges ofte til at datere magtfulde (vulkanske) klipper, hvilket kan være svært at gøre på grund af manglen på fossiler; metamorfe klipper; og meget gamle klipper. Alle disse er svære at datere med de andre metoder, der er beskrevet her.
Rubidium-strontium (Rb-Sr) dating:Radioaktiv rubidium-87 henfalder til strontium-87 med en halveringstid på 48,8 milliarder år. Ikke overraskende bruges Ru-Sr-datering til at datere meget gamle klipper (lige så gamle som Jorden, faktisk, da Jorden "kun" er omkring 4,6 milliarder år gammel).
Strontium findes i andre stabile (dvs. ikke tilbøjelige til at henfalde) isotoper, herunder strontium-86, -88 og -84, i stabile mængder i andre naturlige organismer, klipper og så videre. Men fordi rubidium-87 er rigeligt i jordskorpen, er koncentrationen af strontium-87 meget højere end for de andre isotoper af strontium.
Forskere kan derefter sammenligne forholdet mellem strontium-87 og den samlede mængde stabile strontium-isotoper for at beregne niveauet af henfald, der producerer den påviste koncentration af strontium-87.
Denne teknik bruges ofte til dato magtfulde klipper og meget gamle klipper.
Kalium-argon (K-Ar) dating: Den radioaktive kaliumisotop er K-40, der henfalder til både calcium (Ca) og argon (Ar) i et forhold på 88,8 procent calcium til 11,2 procent argon-40.
Argon er en ædelgas, hvilket betyder, at den ikke er reaktiv og ikke ville være en del af den oprindelige dannelse af sten eller fossiler. Enhver argon, der findes i klipper eller fossiler, skal derfor være resultatet af denne form for radioaktivt henfald.
Halveringstiden for kalium er 1,25 milliarder år, hvilket gør denne teknik nyttig til datering af sten prøver fra omkring 100.000 år siden (i en alder af tidlige mennesker) til omkring 4,3 milliarder år siden. Kalium er meget rigeligt på jorden, hvilket gør det godt til dating, fordi det findes i nogle niveauer i de fleste slags prøver. Det er godt til datering af vulkanske klipper.
Carbon-14 (C-14) datering: Kulstof-14 kommer ind i organismer fra atmosfæren. Når organismen dør, ikke mere af carbon-14 isotop kan komme ind i organismen, og den vil begynde at henfalde fra det tidspunkt.
Kulstof-14 henfalder til nitrogen-14 i den korteste halveringstid af alle metoderne (5.730 år), hvilket gør det perfekt til datering af nye eller nylige fossiler. Det bruges for det meste kun til organiske materialer, det vil sige dyre- og plantefossiler. Carbon-14 kan ikke bruges til prøver ældre end 60.000 år gamle.
Til enhver tid har væv fra levende organismer alle det samme forhold mellem kulstof-12 og kulstof-14. Når en organisme dør, som bemærket, holder den op med at inkorporere nyt kulstof i dets væv, og således ændrer det efterfølgende henfald af carbon-14 til nitrogen-14 forholdet mellem carbon-12 og carbon-14. Ved at sammenligne forholdet mellem kulstof-12 og kulstof-14 i dødt stof til forholdet, når organismen var i live, kan forskere estimere datoen for organismenes død.