Ραδιομετρική Ραντεβού: Ορισμός, Πώς λειτουργεί, Χρήσεις & Παραδείγματα

Εάν θέλετε να μάθετε πόσο χρονών κάποιος ή κάτι τέτοιο, μπορείτε γενικά να βασιστείτε σε έναν συνδυασμό απλού ερωτήματος ή Googling για να βρείτε μια ακριβή απάντηση. Αυτό ισχύει για τα πάντα, από την ηλικία ενός συμμαθητή έως τον αριθμό των ετών που οι Ηνωμένες Πολιτείες υπήρξαν ως κυρίαρχο έθνος (243 και υπολογίζονται από το 2019).

Αλλά τι γίνεται με τις ηλικίες των αντικειμένων της αρχαιότητας, από ένα νέο απολιθωμένο μέχρι την ίδια την εποχή Γη εαυτό?

Σίγουρα, μπορείτε να καθαρίσετε το Διαδίκτυο και να μάθετε αρκετά γρήγορα ότι η επιστημονική συναίνεση καρφιτσώνει την ηλικία του πλανήτη περίπου 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια. Αλλά η Google δεν εφευρέθηκε αυτόν τον αριθμό. Αντ 'αυτού, η ανθρώπινη εφευρετικότητα και η εφαρμοσμένη φυσική το έχουν προσφέρει.

Συγκεκριμένα, μια διαδικασία που ονομάζεται ραδιομετρική χρονολόγηση επιτρέπει στους επιστήμονες να καθορίσουν τις ηλικίες των αντικειμένων, συμπεριλαμβανομένων των ηλικιών των πετρωμάτων, που κυμαίνονται από χιλιάδες ετών έως δισεκατομμύρια χρόνια έως έναν θαυμάσιο βαθμό ακρίβειας.

Αυτό βασίζεται σε έναν αποδεδειγμένο συνδυασμό βασικών μαθηματικών και γνώσης των φυσικών ιδιοτήτων διαφορετικών χημικών στοιχείων.

Να καταλαβεις τεχνικές ραδιομετρικών γνωριμιών, πρέπει πρώτα να κατανοήσετε τι μετράται, πώς γίνεται η μέτρηση και τους θεωρητικούς καθώς και πρακτικούς περιορισμούς του συστήματος μέτρησης που χρησιμοποιείται.

Ως αναλογία, ας πούμε ότι αναρωτιέστε, "Πόσο ζεστό (ή κρύο) είναι έξω;" Αυτό που πραγματικά ψάχνετε εδώ είναι το θερμοκρασία, η οποία είναι ουσιαστικά μια περιγραφή του πόσο γρήγορα τα μόρια στον αέρα κινούνται και συγκρούονται μεταξύ τους, μεταφράζονται σε έναν βολικό αριθμό. Χρειάζεστε μια συσκευή για τη μέτρηση αυτής της δραστηριότητας (ένα θερμόμετρο, από το οποίο υπάρχουν διάφορα είδη).

Πρέπει επίσης να γνωρίζετε πότε μπορείτε ή δεν μπορείτε να εφαρμόσετε έναν συγκεκριμένο τύπο συσκευής στην εργασία που θέλετε. Για παράδειγμα, εάν θέλετε να μάθετε πόσο ζεστό είναι στο εσωτερικό μιας ενεργής ξυλόσομπας, πιθανώς το καταλαβαίνετε Η τοποθέτηση θερμομέτρου οικιακής χρήσης με σκοπό τη μέτρηση της θερμοκρασίας του σώματος μέσα στη σόμπα δεν θα αποδειχθεί βοηθητικός.

Να γνωρίζετε επίσης ότι για πολλούς αιώνες, οι περισσότερες ανθρώπινες «γνώσεις» της εποχής των βράχων, σχηματισμών όπως το Grand Canyon και Όλα τα υπόλοιπα γύρω σας βασίζονταν στον λογαριασμό της Γένεσης της Βίβλου, το οποίο δείχνει ότι ολόκληρος ο κόσμος είναι ίσως 10.000 χρονών.

Οι σύγχρονες γεωλογικές μέθοδοι έχουν αποδειχθεί κατά καιρούς ακανθώδεις απέναντι σε τόσο δημοφιλείς αλλά περίεργες και επιστημονικά μη υποστηριζόμενες έννοιες.

Η ραδιομετρική χρονολόγηση εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι η σύνθεση ορισμένων ορυκτών (πετρώματα, απολιθώματα και άλλα πολύ ανθεκτικά αντικείμενα) αλλάζει με την πάροδο του χρόνου. Συγκεκριμένα, οι σχετικές ποσότητες του συστατικού τους στοιχεία μετατόπιση με μαθηματικά προβλέψιμο τρόπο χάρη σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται ραδιενεργός αποσύνθεση.

Αυτό με τη σειρά του βασίζεται στη γνώση του ισότοπα, μερικά από τα οποία είναι "ραδιενεργά" (δηλαδή, εκπέμπουν αυθόρμητα υποατομικά σωματίδια με γνωστό ρυθμό).

Ισότοπα είναι διαφορετικές εκδόσεις του ίδιου στοιχείου (π.χ. άνθρακας, ουράνιο, κάλιο) · έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτόνια, γι 'αυτό η ταυτότητα του στοιχείου δεν αλλάζει, αλλά διαφορετικούς αριθμούς νετρόνια.

• Είναι πιθανό να συναντήσετε ανθρώπους και άλλες πηγές που αναφέρονται σε μεθόδους ραδιομετρικών γνωριμιών γενικά ως "ραδιοανθρακική χρονολόγηση" ή απλά "χρονολόγηση άνθρακα." Αυτό δεν είναι πιο ακριβές από το να αναφερόμαστε σε αγώνες 5K, 10K και 100 μιλίων ως "μαραθώνιοι" και θα μάθετε γιατί σε κομμάτι.

Μερικά πράγματα στη φύση εξαφανίζονται με λίγο ή πολύ σταθερό ρυθμό, ανεξάρτητα από το πόσο πρέπει να ξεκινήσετε και πόσα απομένουν. Για παράδειγμα, ορισμένα φάρμακα, συμπεριλαμβανομένης της αιθυλικής αλκοόλης, μεταβολίζονται από τον οργανισμό σε σταθερό αριθμό γραμμαρίων ανά ώρα (ή οποιεσδήποτε μονάδες είναι πιο βολικές). Εάν κάποιος έχει το ισοδύναμο με πέντε ποτά στο σύστημά του, το σώμα παίρνει πέντε φορές περισσότερο χρόνο για να καθαρίσει το αλκοόλ όπως θα κάναμε αν είχε ένα ποτό στο σύστημά του.

Ωστόσο, πολλές ουσίες, τόσο βιολογικές όσο και χημικές, συμμορφώνονται με έναν διαφορετικό μηχανισμό: Σε ένα δεδομένο χρονική περίοδο, το ήμισυ της ουσίας θα εξαφανιστεί σε καθορισμένο χρόνο, ανεξάρτητα από το πόσο υπάρχει για να ξεκινήσει με. Τέτοιες ουσίες λέγεται ότι έχουν ημιζωή. Τα ραδιενεργά ισότοπα τηρούν αυτήν την αρχή και έχουν πολύ διαφορετικούς ρυθμούς αποσύνθεσης.

Η χρησιμότητα αυτού έγκειται στο να είναι σε θέση να υπολογίσει με ευκολία πόσα από ένα δεδομένο στοιχείο υπήρχε τη στιγμή που σχηματίστηκε με βάση το πόσο υπάρχει στο χρόνο της μέτρησης. Αυτό συμβαίνει επειδή όταν τα ραδιενεργά στοιχεία αρχίζουν να δημιουργούνται, υποτίθεται ότι αποτελούνται εξ ολοκλήρου από ένα μόνο ισότοπο.

Καθώς η ραδιενεργή διάσπαση εμφανίζεται με την πάροδο του χρόνου, όλο και περισσότερες από αυτές τις πιο κοινές ισότοπες «αποσυνθέσεις» (δηλαδή, μετατρέπονται) σε διαφορετικό ισότοπο ή ισότοπο. Αυτά τα προϊόντα αποσύνθεσης ονομάζονται κατάλληλα κόρη ισότοπα.

Φανταστείτε ότι απολαμβάνετε ένα συγκεκριμένο είδος παγωτού με γεύση σοκολάτας. Έχετε έναν ύπουλο, αλλά όχι ιδιαίτερα έξυπνο, συγκάτοικο που δεν του αρέσει το ίδιο το παγωτό, αλλά δεν μπορεί να αντισταθεί επιλέγοντας να τρώει τις μάρκες - και σε μια προσπάθεια να αποφύγει τον εντοπισμό, αντικαθιστά κάθε ένα που καταναλώνει με ένα σταφίδα.

Φοβάται να το κάνει με όλα τα τσιπ σοκολάτας, οπότε αντίθετα, κάθε μέρα, σαρώνει το μισό από τον υπόλοιπο σοκολάτα τσιπ και βάζει σταφίδες στη θέση τους, ποτέ δεν ολοκληρώνει τον διαβολικό του μετασχηματισμό του επιδορπίου σας, αλλά πλησιάζει και πιο κοντά.

Πείτε έναν δεύτερο φίλο που γνωρίζει αυτήν τη ρύθμιση που επισκέπτεται και παρατηρεί ότι το κουτί με παγωτό περιέχει 70 σταφίδες και 10 τσιπ σοκολάτας. Δηλώνει, "Υποθέτω ότι πήγατε για ψώνια πριν από τρεις ημέρες." Πώς το ξέρει αυτό;

Είναι απλό: Πρέπει να έχετε ξεκινήσει με συνολικά 80 μάρκες, γιατί τώρα έχετε 70 + 10 = 80 συνολικά πρόσθετα στο παγωτό σας. Επειδή ο συγκάτοικος σας τρώει τις μισές μάρκες σε οποιαδήποτε δεδομένη ημέρα και όχι έναν σταθερό αριθμό, το κουτί πρέπει να είχε 20 μάρκες την προηγούμενη ημέρα, 40 την προηγούμενη ημέρα και 80 την προηγούμενη ημέρα.

Οι υπολογισμοί που αφορούν ραδιενεργά ισότοπα είναι πιο επίσημοι, αλλά ακολουθούν την ίδια βασική αρχή: Εάν γνωρίζετε τον χρόνο ημιζωής του ραδιενεργού στοιχείου και μπορείτε να μετρήσετε πόσο υπάρχει κάθε ισότοπο, μπορείτε να υπολογίσετε την ηλικία του απολιθώματος, του βράχου ή άλλης οντότητας από την οποία προέρχεται.

Τα στοιχεία που έχουν ημιζωή λέγεται ότι υπακούουν σε ένα πρώτη σειρά διαδικασία αποσύνθεσης. Έχουν αυτό που είναι γνωστό ως σταθερά ρυθμού, συνήθως υποδηλώνεται με k. Η σχέση μεταξύ του αριθμού των ατόμων που υπάρχουν στην αρχή (Ν₀), ο αριθμός που υπάρχει τη στιγμή της μέτρησης N ο χρόνος που έχει παρέλθει t και η σταθερά ρυθμού k μπορούν να γραφτούν με δύο μαθηματικά ισοδύναμους τρόπους:

Ν = Ν₀μι^−kt

ή

[N / N₀] = −kt

Επιπλέον, μπορεί να θέλετε να μάθετε το δραστηριότητα Ένα δείγμα, συνήθως μετριέται σε αποσυνθέσεις ανά δευτερόλεπτο ή dps. Αυτό εκφράζεται απλά ως:

Α = kt

Δεν χρειάζεται να γνωρίζετε πώς παράγονται αυτές οι εξισώσεις, αλλά θα πρέπει να είστε έτοιμοι να τις χρησιμοποιήσετε, ώστε να λύσετε προβλήματα που αφορούν ραδιενεργά ισότοπα.

Οι επιστήμονες που ενδιαφέρονται να καταλάβουν την ηλικία ενός απολιθωμένου ή βράχου αναλύουν ένα δείγμα για να προσδιορίσουν το η αναλογία ενός δεδομένου θυγατρικού ισότοπου (ή ισοτόπων) ενός συγκεκριμένου ραδιενεργού στοιχείου προς το γονικό του ισότοπο σε αυτό δείγμα. Μαθηματικά, από τις παραπάνω εξισώσεις, αυτό είναι N / N₀. Με τον ρυθμό διάσπασης του στοιχείου, και ως εκ τούτου τον χρόνο ημιζωής του, γνωστός εκ των προτέρων, ο υπολογισμός της ηλικίας του είναι απλός.

Το κόλπο είναι να γνωρίζουμε ποια από τα διάφορα κοινά ραδιενεργά ισότοπα να αναζητήσουμε. Αυτό με τη σειρά του εξαρτάται από την κατά προσέγγιση αναμενόμενη ηλικία του αντικειμένου, επειδή τα ραδιενεργά στοιχεία αποσυντίθενται σε τεράστια διαφορετικά ποσοστά.

Επίσης, δεν θα έχουν όλα τα αντικείμενα που χρονολογούνται συνήθως ένα από τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται συνήθως. Μπορείτε να χρονολογήσετε στοιχεία μόνο με μια δεδομένη τεχνική γνωριμιών, εάν περιλαμβάνουν την απαιτούμενη ένωση ή ενώσεις.

Χρονολόγηση μολύβδου ουρανίου (U-Pb): Το ραδιενεργό ουράνιο διατίθεται σε δύο μορφές, το ουράνιο-238 και το ουράνιο-235. Ο αριθμός αναφέρεται στον αριθμό των πρωτονίων συν νετρονίων. Ο ατομικός αριθμός του ουρανίου είναι 92, που αντιστοιχεί στον αριθμό των πρωτονίων του. που αποσυντίθενται σε μόλυβδο-206 και μόλυβδο-207 αντίστοιχα.

Ο χρόνος ημιζωής του ουρανίου-238 είναι 4,47 δισεκατομμύρια χρόνια, ενώ ο χρόνος ημιζωής του ουρανίου-235 είναι 704 εκατομμύρια χρόνια. Επειδή αυτά διαφέρουν κατά σχεδόν επτά (θυμηθείτε ότι ένα δισεκατομμύριο είναι 1.000 φορές το εκατομμύριο), αποδεικνύει "επιταγή" βεβαιωθείτε ότι υπολογίζετε σωστά την ηλικία του βράχου ή των απολιθωμάτων, καθιστώντας την από τις πιο ακριβείς ραδιομετρικές γνωριμίες μεθόδους.

Οι μακρές ημιζωές καθιστούν αυτή την τεχνική γνωριμιών κατάλληλη για ειδικά παλιά υλικά, από περίπου 1 εκατομμύριο έως 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια.

Η χρονολόγηση U-Pb είναι περίπλοκη λόγω των δύο ισότοπων που παίζονται, αλλά αυτή η ιδιότητα είναι και αυτό που την καθιστά τόσο ακριβή. Η μέθοδος είναι επίσης τεχνικά δύσκολη, διότι ο μόλυβδος μπορεί να «διαρρεύσει» από πολλούς τύπους πετρωμάτων, κάνοντας μερικές φορές τους υπολογισμούς δύσκολους ή αδύνατους.

Η χρονολόγηση U-Pb χρησιμοποιείται συχνά για ραντεβού (ηφαιστειακά) πετρώματα, τα οποία μπορεί να είναι δύσκολο να γίνουν λόγω της έλλειψης απολιθωμάτων. μεταμορφικά πετρώματα; και πολύ παλιά βράχια. Όλα αυτά είναι δύσκολο να χρονολογηθούν με τις άλλες μεθόδους που περιγράφονται εδώ.

Ρουβιδίου-στροντίου (Rb-Sr) που χρονολογείται:Ραδιενεργός το rubidium-87 αποσυντίθεται σε στρόντιο-87 με ημιζωή 48,8 δισεκατομμυρίων ετών. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η χρονολόγηση Ru-Sr χρησιμοποιείται για να χρονολογηθεί πολύ παλιά βράχια (τόσο παλιά όσο και η Γη, στην πραγματικότητα, δεδομένου ότι η Γη είναι "μόνο" ηλικίας περίπου 4,6 δισεκατομμυρίων ετών).

Το στρόντιο υπάρχει σε άλλα σταθερά (δηλ. Όχι επιρρεπή σε αποσύνθεση) ισότοπα, συμπεριλαμβανομένων των στροντίου-86, -88 και -84, σε σταθερές ποσότητες σε άλλους φυσικούς οργανισμούς, βράχους και ούτω καθεξής. Αλλά επειδή το ρουβίδιο-87 είναι άφθονο στον φλοιό της Γης, η συγκέντρωση του στροντίου-87 είναι πολύ υψηλότερη από εκείνη των άλλων ισοτόπων του στροντίου.

Οι επιστήμονες μπορούν στη συνέχεια να συγκρίνουν την αναλογία του στροντίου-87 με τη συνολική ποσότητα σταθερών ισοτόπων στροντίου για να υπολογίσουν το επίπεδο της αποσύνθεσης που παράγει την ανιχνευόμενη συγκέντρωση του στροντίου-87.

Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται συχνά μέχρι σήμερα πυριγενή πετρώματα και πολύ παλιά βράχια.

Κάλιο-αργόν (K-Ar) που χρονολογείται: Το ραδιενεργό ισότοπο καλίου είναι το Κ-40, το οποίο αποσυντίθεται τόσο σε ασβέστιο (Ca) όσο και σε αργό (Ar) σε αναλογία 88,8% ασβέστιο έως 11,2% αργόν-40.

Το Argon είναι ένα ευγενές αέριο, που σημαίνει ότι είναι μη αντιδραστικό και δεν θα αποτελούσε μέρος του αρχικού σχηματισμού πετρωμάτων ή απολιθωμάτων. Οποιοδήποτε αργό που βρίσκεται σε βράχους ή απολιθώματα πρέπει επομένως να είναι το αποτέλεσμα μιας τέτοιας ραδιενεργής αποσύνθεσης.

Ο χρόνος ημιζωής του καλίου είναι 1,25 δισεκατομμύρια χρόνια, καθιστώντας αυτή την τεχνική χρήσιμη για τη χρονολόγηση ροκ δείγματα που κυμαίνονται από περίπου 100.000 χρόνια πριν (κατά την ηλικία των πρώιμων ανθρώπων) έως περίπου 4,3 δισεκατομμύρια πριν από χρόνια. Το κάλιο είναι πολύ άφθονο στη Γη, καθιστώντας το ιδανικό για χρονολόγηση επειδή βρίσκεται σε ορισμένα επίπεδα στα περισσότερα είδη δειγμάτων. Είναι καλό για τη χρονολόγηση των πυριγενών πετρωμάτων (ηφαιστειακά πετρώματα).

Carbon-14 (C-14) χρονολόγηση: Ο άνθρακας-14 εισέρχεται στους οργανισμούς από την ατμόσφαιρα. Όταν ο οργανισμός πεθαίνει, δεν υπάρχει πλέον ισότοπο άνθρακα-14 μπορεί να εισέλθει στον οργανισμό και θα αρχίσει να αποσυντίθεται ξεκινώντας από εκείνο το σημείο.

Ο άνθρακας-14 διασπάται σε άζωτο-14 στον συντομότερο χρόνο ημιζωής όλων των μεθόδων (5.730 χρόνια), γεγονός που το καθιστά ιδανικό για χρονολόγηση νέων ή πρόσφατων απολιθωμάτων. Χρησιμοποιείται κυρίως μόνο για οργανικά υλικά, δηλαδή απολιθώματα ζώων και φυτών. Το Carbon-14 δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για δείγματα ηλικίας άνω των 60.000 ετών.

Σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή, όλοι οι ιστοί ζωντανών οργανισμών έχουν την ίδια αναλογία άνθρακα-12 προς άνθρακα-14. Όταν ένας οργανισμός πεθαίνει, όπως σημειώνεται, σταματά να ενσωματώνει νέο άνθρακα στους ιστούς του και έτσι η επακόλουθη αποσύνθεση του άνθρακα-14 προς το άζωτο-14 μεταβάλλει την αναλογία άνθρακα-12 προς άνθρακα-14. Συγκρίνοντας την αναλογία άνθρακα-12 προς άνθρακα-14 στην νεκρή ύλη με την αναλογία όταν αυτός ο οργανισμός ήταν ζωντανός, οι επιστήμονες μπορούν να εκτιμήσουν την ημερομηνία θανάτου του οργανισμού.