Radiometrische Datierung: Definition, Funktionsweise, Anwendung und Beispiele

Wenn Sie wissen möchten, wie alt jemand oder etwas ist, können Sie sich im Allgemeinen auf eine Kombination aus einfachen Fragen oder Googeln verlassen, um eine genaue Antwort zu erhalten. Dies gilt für alles, vom Alter eines Klassenkameraden bis zur Anzahl der Jahre, die die Vereinigten Staaten als souveräne Nation bestehen (243 und gezählt ab 2019).

Aber was ist mit dem Alter von Objekten der Antike, von einem neu entdeckten Fossil bis zum Alter der Erde selbst?

Sicher, Sie können das Internet durchforsten und ziemlich schnell erfahren, dass der wissenschaftliche Konsens das Alter des Planeten auf etwa festlegt 4,6 Milliarden Jahre. Aber Google hat diese Zahl nicht erfunden; stattdessen haben menschlicher Einfallsreichtum und angewandte Physik sie bereitgestellt.

Insbesondere ein Prozess namens radiometrische Datierung ermöglicht es Wissenschaftlern, das Alter von Objekten, einschließlich des Alters von Gesteinen, von Tausenden von Jahren bis zu Milliarden von Jahren mit erstaunlicher Genauigkeit zu bestimmen.

Dies beruht auf einer bewährten Kombination aus grundlegender Mathematik und Kenntnissen der physikalischen Eigenschaften verschiedener chemischer Elemente.

Verstehen radiometrische Datierungstechniken, müssen Sie zunächst verstehen, was gemessen wird, wie die Messung durchgeführt wird und die theoretischen sowie praktischen Grenzen des verwendeten Messsystems.

Nehmen wir als Analogie an, Sie fragen sich: "Wie warm (oder kalt) ist es draußen?" Was Sie hier eigentlich suchen, ist das Temperatur, die im Grunde eine Beschreibung dafür ist, wie schnell sich Moleküle in der Luft bewegen und miteinander kollidieren, übersetzt in eine bequeme Zahl. Sie benötigen ein Gerät, um diese Aktivität zu messen (ein Thermometer, von dem es verschiedene Arten gibt).

Sie müssen auch wissen, wann Sie einen bestimmten Gerätetyp auf die vorliegende Aufgabe anwenden können oder nicht. Wenn Sie beispielsweise wissen möchten, wie heiß es im Inneren eines Aktivholzofens ist, verstehen Sie das wahrscheinlich Das Anbringen eines Haushaltsthermometers, das die Körpertemperatur im Ofen messen soll, wird sich nicht beweisen hilfreich.

Beachten Sie auch, dass das meiste menschliche "Wissen" über das Alter von Gesteinen, Formationen wie dem Grand Canyon und alles andere um dich herum wurde auf dem Genesis-Bericht der Bibel begründet, der postuliert, dass der gesamte Kosmos vielleicht 10.000 ist Jahre alt.

Moderne geologische Methoden haben sich angesichts solcher populärer, aber kurioser und wissenschaftlich nicht unterstützter Vorstellungen manchmal als dornig erwiesen.

Die radiometrische Datierung macht sich die Tatsache zunutze, dass sich die Zusammensetzung bestimmter Mineralien (Gesteine, Fossilien und andere hochbeständige Objekte) im Laufe der Zeit ändert. Insbesondere die relativen Mengen ihrer Bestandteile Elemente Verschiebung auf mathematisch vorhersehbare Weise dank eines Phänomens namens radioaktiver Zerfall.

Dies wiederum beruht auf Kenntnissen über Isotope, von denen einige "radioaktiv" sind (dh sie emittieren spontan subatomare Teilchen mit einer bekannten Geschwindigkeit).

Isotope sind verschiedene Versionen desselben Elements (z. B. Kohlenstoff, Uran, Kalium); sie haben die gleiche Anzahl von Protonen, weshalb sich die Identität des Elements nicht ändert, sondern unterschiedliche Anzahlen von Neutronen.

• Sie werden wahrscheinlich auf Menschen und andere Quellen stoßen, die radiometrische Datierungsmethoden allgemein als "Radiocarbon-Datierung" bezeichnen oder einfach "Kohlenstoffdatierung." Dies ist nicht genauer als die Bezeichnung von 5K-, 10K- und 100-Meilen-Laufrennen als "Marathons". bisschen.

Manche Dinge in der Natur verschwinden in mehr oder weniger konstanter Geschwindigkeit, egal wie viel es am Anfang gibt und wie viel übrig bleibt. Zum Beispiel werden bestimmte Medikamente, einschließlich Ethylalkohol, vom Körper mit einer festen Anzahl von Gramm pro Stunde (oder den am besten geeigneten Einheiten) metabolisiert. Wenn jemand das Äquivalent von fünf Getränken in seinem System hat, braucht der Körper fünfmal so lange, um den Alkohol zu entfernen, als wenn er ein Getränk in seinem System hätte.

Viele Substanzen, sowohl biologische als auch chemische, folgen jedoch einem anderen Mechanismus: In einem gegebenen Zeitraum wird die Hälfte der Substanz in einer festgelegten Zeit verschwinden, egal wie viel zu Beginn vorhanden ist mit. Solche Stoffe haben a halbes Leben. Radioaktive Isotope gehorchen diesem Prinzip und haben sehr unterschiedliche Zerfallsraten.

Der Nutzen liegt darin, dass man leicht berechnen kann, wie viel von einem gegebenen Element zum Zeitpunkt seiner Bildung vorhanden war, basierend darauf, wie viel zum Zeitpunkt der Messung vorhanden ist. Dies liegt daran, dass radioaktive Elemente bei ihrer Entstehung vermutlich vollständig aus einem einzigen Isotop bestehen.

Da der radioaktive Zerfall im Laufe der Zeit auftritt, "zerfällt" (d. h. wird umgewandelt) mehr und mehr dieses am häufigsten vorkommenden Isotops in ein oder mehrere andere Isotope; diese Zerfallsprodukte heißen passend Tochterisotope.

Stellen Sie sich vor, Sie genießen eine bestimmte Eissorte mit Schokoladenstückchen. Du hast einen hinterhältigen, aber nicht besonders schlauen Mitbewohner, der das Eis selbst nicht mag, aber nicht widerstehen kann er frisst die Chips heraus – und um nicht entdeckt zu werden, ersetzt er jeden, den er konsumiert, durch a Rosine.

Er hat Angst, dies mit all den Schokoladenstückchen zu tun, also wischt er stattdessen jeden Tag die Hälfte der restlichen Schokolade weg Chips und setzt Rosinen an ihre Stelle, was seine teuflische Verwandlung Ihres Desserts nie ganz vollendet, aber näher kommt und näher.

Sagen Sie, ein zweiter Freund, der von dieser Anordnung weiß, besucht Sie und bemerkt, dass Ihre Eistüte 70 Rosinen und 10 Schokoladenstückchen enthält. Sie erklärt: "Ich schätze, du warst vor drei Tagen einkaufen." Woher weiß sie das?

Ganz einfach: Sie müssen mit insgesamt 80 Chips begonnen haben, denn Sie haben jetzt 70 + 10 = 80 Gesamtzusätze zu Ihrem Eis. Da Ihr Mitbewohner an einem Tag die Hälfte der Chips isst und keine feste Anzahl, muss der Karton am Vortag 20 Chips, am Vortag 40 und am Vortag 80 Chips enthalten haben.

Berechnungen mit radioaktiven Isotopen sind formaler, folgen aber demselben Grundprinzip: Wenn Sie die Halbwertszeit des radioaktiven Elements kennen und messen können, wie viel von jedem Isotop vorhanden ist, können Sie das Alter des Fossils, Gesteins oder einer anderen Einheit bestimmen, aus der es stammt.

Elemente mit Halbwertszeiten sollen a. gehorchen erste Bestellung Zerfallsprozess. Sie haben eine sogenannte Geschwindigkeitskonstante, die normalerweise mit k bezeichnet wird. Die Beziehung zwischen der Anzahl der am Anfang vorhandenen Atome (N₀), die zum Zeitpunkt der Messung vorhandene Zahl N die verstrichene Zeit t und die Geschwindigkeitskonstante k können auf zwei mathematisch äquivalente Weisen geschrieben werden:

N = N₀e^−kt

oder

ln[N/N₀] = −kt

Darüber hinaus möchten Sie vielleicht wissen, Aktivität A einer Probe, typischerweise gemessen in Auflösungen pro Sekunde oder dps. Dies wird einfach ausgedrückt als:

A = kt

Sie müssen nicht wissen, wie diese Gleichungen abgeleitet werden, aber Sie sollten bereit sein, sie zu verwenden, um Probleme mit radioaktiven Isotopen zu lösen.

Wissenschaftler, die daran interessiert sind, das Alter eines Fossils oder Gesteins herauszufinden, analysieren eine Probe, um die Verhältnis des Tochterisotops (oder der Isotope) eines bestimmten radioaktiven Elements zu seinem Mutterisotop, Stichprobe. Mathematisch ist dies aus den obigen Gleichungen N/N₀. Mit der Zerfallsrate des Elements und damit seiner Halbwertszeit, die im Voraus bekannt ist, ist die Berechnung seines Alters einfach.

Der Trick besteht darin, zu wissen, nach welchem ​​der verschiedenen gängigen radioaktiven Isotope gesucht werden muss. Dies wiederum hängt vom ungefähr zu erwartenden Alter des Objekts ab, da radioaktive Elemente mit enorm unterschiedlichen Geschwindigkeiten zerfallen.

Außerdem weisen nicht alle zu datierenden Objekte alle üblicherweise verwendeten Elemente auf; Sie können nur Elemente mit einer bestimmten Datierungstechnik datieren, wenn sie die erforderliche Verbindung oder Verbindungen enthalten.

Uran-Blei (U-Pb) Datierung: Radioaktives Uran gibt es in zwei Formen, Uran-238 und Uran-235. Die Zahl bezieht sich auf die Anzahl der Protonen plus Neutronen. Die Ordnungszahl von Uran beträgt 92, entsprechend seiner Protonenzahl. die in Blei-206 bzw. Blei-207 zerfallen.

Die Halbwertszeit von Uran-238 beträgt 4,47 Milliarden Jahre, die von Uran-235 704 Millionen Jahre. Da sich diese um einen Faktor von fast sieben unterscheiden (denken Sie daran, dass eine Milliarde 1.000 mal eine Million ist), erweist sich dies als "Scheck" für Stellen Sie sicher, dass Sie das Alter des Gesteins oder Fossils richtig berechnen, damit dies zu den genauesten radiometrischen Datierungen gehört Methoden.

Aufgrund der langen Halbwertszeiten eignet sich diese Datierungstechnik für besonders alte Materialien, die etwa 1 Million bis 4,5 Milliarden Jahre alt sind.

Die U-Pb-Datierung ist aufgrund der zwei im Spiel befindlichen Isotope komplex, aber diese Eigenschaft macht sie auch so präzise. Die Methode ist auch technisch anspruchsvoll, da Blei aus vielen Gesteinsarten „auslaufen“ kann, was die Berechnungen manchmal erschwert oder unmöglich macht.

U-Pb-Datierung wird oft verwendet, um magmatische (vulkanische) Gesteine ​​zu datieren, was aufgrund des Mangels an Fossilien schwierig sein kann; Metaphorische Felsen; und sehr alte Felsen. All dies ist mit den anderen hier beschriebenen Methoden schwer zu datieren.

Rubidium-Strontium (Rb-Sr) Datierung:Radioaktiv Rubidium-87 zerfällt in Strontium-87 mit einer Halbwertszeit von 48,8 Milliarden Jahren. Es überrascht nicht, dass die Ru-Sr-Datierung verwendet wird, um sehr alte Gesteine ​​zu datieren (so alt wie die Erde, da die Erde "nur" etwa 4,6 Milliarden Jahre alt ist).

Strontium kommt in anderen stabilen (d. h. nicht zum Zerfall neigenden) Isotopen vor, einschließlich Strontium-86, -88 und -84, in stabilen Mengen in anderen natürlichen Organismen, Gesteinen usw. Da Rubidium-87 jedoch reichlich in der Erdkruste vorkommt, ist die Konzentration von Strontium-87 viel höher als die der anderen Strontium-Isotope.

Wissenschaftler können dann das Verhältnis von Strontium-87 zur Gesamtmenge der stabilen Strontium-Isotope vergleichen, um den Zerfallsgrad zu berechnen, der die nachgewiesene Strontium-87-Konzentration erzeugt.

Diese Technik wird bis heute oft verwendet Magmatische Gesteine und sehr alte Felsen.

Kalium-Argon (K-Ar) Datierung: Das radioaktive Kaliumisotop ist K-40, das in einem Verhältnis von 88,8 Prozent Kalzium zu 11,2 Prozent Argon-40 sowohl in Calcium (Ca) als auch in Argon (Ar) zerfällt.

Argon ist ein Edelgas, was bedeutet, dass es nicht reaktiv ist und nicht Teil der anfänglichen Bildung von Gesteinen oder Fossilien wäre. Jedes Argon, das in Gesteinen oder Fossilien gefunden wird, muss daher das Ergebnis dieser Art von radioaktivem Zerfall sein.

Die Halbwertszeit von Kalium beträgt 1,25 Milliarden Jahre, was diese Technik für die Datierung von Gestein nützlich macht Proben von vor etwa 100.000 Jahren (zur Zeit des frühen Menschen) bis zu etwa 4,3 Milliarden vor Jahren. Kalium ist in der Erde sehr reichlich vorhanden, was es ideal für die Datierung macht, da es in den meisten Arten von Proben in bestimmten Konzentrationen vorkommt. Es ist gut für die Datierung von magmatischen Gesteinen (Vulkangesteine).

Kohlenstoff-14 (C-14) Datierung: Kohlenstoff-14 gelangt aus der Atmosphäre in Organismen. Wenn der Organismus stirbt, ist nichts mehr Kohlenstoff-14-Isotop in den Organismus eindringen kann und ab diesem Zeitpunkt zu zerfallen beginnt.

Kohlenstoff-14 zerfällt in der kürzesten Halbwertszeit aller Methoden (5.730 Jahre) in Stickstoff-14, was es perfekt für die Datierung neuer oder neuer Fossilien macht. Es wird meist nur für organische Materialien, also Tier- und Pflanzenfossilien verwendet. Carbon-14 kann nicht für Proben verwendet werden, die älter als 60.000 Jahre sind.

Zu jedem Zeitpunkt haben die Gewebe lebender Organismen alle das gleiche Verhältnis von Kohlenstoff-12 zu Kohlenstoff-14. Wenn ein Organismus, wie bereits erwähnt, stirbt, hört er auf, neuen Kohlenstoff in sein Gewebe aufzunehmen, und so ändert der anschließende Zerfall von Kohlenstoff-14 zu Stickstoff-14 das Verhältnis von Kohlenstoff-12 zu Kohlenstoff-14. Durch den Vergleich des Verhältnisses von Kohlenstoff-12 zu Kohlenstoff-14 in toter Materie mit dem Verhältnis, als dieser Organismus noch lebte, können Wissenschaftler das Todesdatum des Organismus abschätzen.