Radiomeetriline kohting: määratlus, kuidas see toimib, kasutused ja näited

Kui soovite teada, kui vana keegi või midagi on, võite täpse vastuse saamiseks üldiselt tugineda mõnele kombinatsioonile, milleks on lihtsalt küsimuste esitamine või guugeldamine. See puudutab kõike alates klassikaaslase vanusest kuni aastani, mil Ameerika Ühendriigid on eksisteerinud suveräänse riigina (243 ja alates 2019. aastast).

Aga mis puutub antiikaja objektide ajastutesse, alates äsja avastatud fossiilidest kuni selle vanuseni Maa ise?

Muidugi, saate Internetis ringi käia ja üsna kiiresti teada saada, et teaduslik konsensus on planeedi vanuseks umbes 4,6 miljardit aastat. Kuid Google ei leiutanud seda numbrit; selle asemel on seda pakkunud inimese leidlikkus ja rakendusfüüsika.

Täpsemalt nn protsess radiomeetriline dateerimine võimaldab teadlastel määrata objektide vanused, sealhulgas kivimite vanused, alates tuhandetest aastatest kuni miljardite aastateni kuni imelise täpsuseni.

See põhineb tõestatud matemaatika ja erinevate keemiliste elementide füüsikaliste omaduste tundmise kombinatsioonil.

Aru saama radiomeetrilised dateerimisvõtted, peate kõigepealt mõistma, mida mõõdetakse, kuidas mõõtmist tehakse, ning kasutatava mõõtesüsteemi teoreetilisi ja praktilisi piiranguid.

Analoogia korras öelge, et leiate end mõttelt: "Kui soe (või külm) on väljas?" Mida te siin tegelikult otsite, on temperatuur, mis on põhimõtteliselt kirjeldus selle kohta, kui kiiresti molekulid õhus liiguvad ja põrkuvad üksteisega, teisendatuna mugavaks arvuks. Selle tegevuse mõõtmiseks vajate seadet (termomeetrit, mida on erinevaid).

Samuti peate teadma, millal saate või ei saa konkreetsele seadmeliigile antud ülesandele rakendada; näiteks kui soovite teada, kui kuum on aktiivse puupliidi sisekülg, siis ilmselt mõistate seda Kehatemperatuuri mõõtmiseks mõeldud majapidamistermomeetri paigaldamine pliidi sisse ei tõenda kasulik.

Pange tähele ka seda, et paljude sajandite jooksul on enamus inimeste "teadmisi" kivimite ajastust, koosseisudest nagu Grand Canyon ja kõik muu teie ümber oli seotud Piibli Genesise kontoga, mis väidab, et kogu kosmos on võib-olla 10 000 aastat vana.

Kaasaegsed geoloogilised meetodid on selliste populaarsete, kuid omapäraste ja teaduslikult toetamata arusaamade ees kohati osutunud teravaks.

Radiomeetriline dateerimine kasutab ära asjaolu, et teatud mineraalide (kivimid, fossiilid ja muud väga vastupidavad esemed) koostis aja jooksul muutub. Täpsemalt nende koostisosade suhtelised kogused elemendid nihe matemaatiliselt ennustataval moel tänu nähtusele, mida nimetatakse radioaktiivne lagunemine.

See tugineb omakorda teadmistele isotoopid, millest mõned on "radioaktiivsed" (see tähendab, et nad eraldavad spontaanselt teadaoleva kiirusega subatoomilisi osakesi).

Isotoopid on sama elemendi erinevad versioonid (nt süsinik, uraan, kaalium); neid on sama palju prootonid, mistõttu elemendi identiteet ei muutu, vaid erinevad arvud neutronid.

• Tõenäoliselt kohtate inimesi ja muid allikaid, mis viitavad radiomeetrilistele dateerimismeetoditele üldiselt kui "radiosüsiniku dateerimisele" või lihtsalt "süsiniku dateerimine". See pole täpsem, kui viidata 5K, 10K ja 100 miili jooksuvõistlustele kui "maratonidele" ja saate teada, miks natuke.

Mõni asi looduses kaob enam-vähem püsiva kiirusega, olenemata sellest, kui palju on vaja alustada ja kui palju on alles. Näiteks metaboliseeritakse organismis teatud ravimeid, sealhulgas etüülalkoholi, fikseeritud arvu grammidena tunnis (või ükskõik millises ühikus, mis on kõige mugavam). Kui kellegi süsteemis on samaväärne viie joogiga, võtab organism alkoholi puhastamiseks viis korda rohkem aega kui siis, kui tema süsteemis oleks üks jook.

Paljud ained, nii bioloogilised kui ka keemilised, vastavad aga erinevale mehhanismile: antud juhul aja jooksul kaob pool ainest kindla aja jooksul, olenemata sellest, kui palju on alustamiseks koos. Sellistel ainetel on väidetavalt a pool elu. Radioaktiivsed isotoopid järgivad seda põhimõtet ja nende lagunemiskiirus on tohutult erinev.

Selle kasulikkus seisneb selles, et saate hõlpsalt arvutada, kui palju antud elementi oli selle moodustamise ajal, selle põhjal, kui palju on mõõtmise ajal. Seda seetõttu, et radioaktiivsete elementide esmakordsel tekkimisel eeldatakse, et need koosnevad täielikult ühest isotoopist.

Kuna radioaktiivne lagunemine toimub aja jooksul, siis üha enam seda levinumat isotoopi "laguneb" (st muundatakse) erinevaks isotoopiks või isotoopideks; neid lagunemissaadusi nimetatakse sobivalt tütre isotoopid.

Kujutage ette, et naudite teatud tüüpi šokolaadilaastudega maitsestatud jäätist. Teil on alatu, kuid mitte eriti nutikas toanaaber, kellele jäätis ise ei meeldi, kuid ei suuda vastu panna kiibide söömise valimine - ja avastamise vältimiseks asendab ta iga tarbitava a-ga rosin.

Ta kardab seda teha kõigi šokolaaditükkidega, nii et pühib iga päev pool ülejäänud šokolaadist kiibid ja paneb nende asemele rosinad, mis pole kunagi teie magustoidu kuratlik muutmine lõpule viidud, kuid lähenedes ja lähemale.

Ütle, et külastab teine ​​sõber, kes on sellest kokkuleppest teadlik, ja märkab, et teie jäätise karp sisaldab 70 rosinat ja 10 šokolaaditükki. Ta teatab: "Küllap käisite umbes kolm päeva tagasi poodides." Kuidas ta seda teab?

See on lihtne: peate olema alustanud kokku 80 krõpsuga, sest teie jäätises on nüüd 70 + 10 = 80 lisandit. Kuna teie toanaaber sööb igal päeval pool kiipidest ja mitte fikseeritud numbrit, peab karp olema eelmisel päeval 20, eelmisel päeval 40 ja eelmisel päeval 80 kiipi.

Radioaktiivsete isotoopide arvutused on formaalsemad, kuid järgivad sama põhimõtet: Kui teate radioaktiivse elemendi poolestusaega ja saate mõõta, kui palju igas isotoopis leidub, saate välja selgitada fossiili, kivimi või muu selle päritolu vanuse.

Elemendid, millel on poolestusaeg, väidetavalt alluvad a esimese järgu lagunemisprotsess. Neil on nn kiiruskonstant, mida tähistatakse tavaliselt k-ga. Stardis olevate aatomite arvu suhe (N₀), mõõtmise ajal olemasoleva arvu N kulunud aja t ja kiiruskonstandi k saab kirjutada kahel matemaatiliselt samaväärsel viisil:

N = N₀e^−kt

või

ln [N / N₀] = −kt

Lisaks võite soovida teada järgmist aktiivsus Proovi A, mõõdetuna tavaliselt lagunemises sekundis või dps. Seda väljendatakse lihtsalt järgmiselt:

A = kt

Te ei pea teadma, kuidas need võrrandid tuletatakse, kuid peaksite olema valmis neid kasutama, et lahendada radioaktiivsete isotoopidega seotud probleeme.

Teadlased, kes on huvitatud fossiilide või kivimite vanuse väljaselgitamisest, analüüsivad proovi antud radioaktiivse elemendi tütre isotoobi (või isotoopide) suhe vanema isotoopi selles proov. Matemaatiliselt on ülaltoodud võrrandite põhjal see N / N₀. Elemendi lagunemiskiiruse ja sellest tulenevalt ka selle ette teadaoleva poolväärtusajaga on vanuse arvutamine lihtne.

Trikk on teada, millist erinevatest levinud radioaktiivsetest isotoopidest otsida. See sõltub omakorda objekti eeldatavast eeldatavast vanusest, kuna radioaktiivsed elemendid lagunevad tohutult erineva kiirusega.

Samuti pole kõigil dateeritavatel objektidel kõiki tavaliselt kasutatavaid elemente; saate dateeritud esemeid kuupäeva anda ainult siis, kui need sisaldavad vajalikku ühendit või ühendeid.

Uraani-plii (U-Pb) dateerimine: Radioaktiivset uraani on kahes vormis, uraan-238 ja uraan-235. Number viitab prootonite ja neutronite arvule. Uraani aatomnumber on 92, mis vastab selle prootonite arvule. mis lagunevad vastavalt plii-206 ja plii-207 hulka.

Uraan-238 poolväärtusaeg on 4,47 miljardit aastat, samas kui uraan-235 on 704 miljonit aastat. Kuna need erinevad peaaegu seitse korda (tuletame meelde, et miljard on 1000 korda miljon), tõestab see veenduge, et arvutate kivimi või fossiili vanust õigesti, muutes selle kõige täpsemaks radiomeetriliseks kuupäevaks meetodid.

Pikk poolväärtusaeg muudab selle dateerimistehnika sobivaks eriti vanadele materjalidele, vanuses umbes 1 miljon kuni 4,5 miljardit aastat.

U-Pb dateerimine on keeruline kahe mängus oleva isotoopi tõttu, kuid see omadus muudab selle ka nii täpseks. Meetod on tehniliselt keeruline, kuna plii võib "lekkida" paljudest kivimitüüpidest, mis mõnikord muudab arvutused raskeks või võimatuks.

U-Pb dateeringut kasutatakse sageli tard- (vulkaaniliste) kivimite dateerimiseks, mida fossiilide puudumise tõttu võib olla keeruline teha; moondekivimid; ja väga vanad kivid. Kõiki neid on teiste siin kirjeldatud meetoditega raske kokku viia.

Rubiidium-strontsium (Rb-Sr) dateering:Radioaktiivne rubiidium-87 laguneb strontsium-87-ks, poolväärtusajaga 48,8 miljardit aastat. Pole üllatav, et Ru-Sr dateeringut kasutatakse väga vanade kivimite dateerimiseks (sama vana kui Maa, kuna Maa on "ainult" umbes 4,6 miljardit aastat vana).

Strontium esineb teistes stabiilsetes (st lagunemiskaldumatud) isotoopides, sealhulgas strontsium-86, -88 ja -84, stabiilsetes kogustes teistes looduslikes organismides, kivimites ja nii edasi. Kuid kuna rubiidium-87 on maakoores rohkesti, on strontsium-87 kontsentratsioon palju suurem kui teiste strontsiumi isotoopidel.

Seejärel saavad teadlased võrrelda strontsium-87 suhet stabiilsete strontsiumi isotoopide üldkogusega, et arvutada lagunemise tase, mis tekitab strontsium-87 tuvastatud kontsentratsiooni.

Seda tehnikat kasutatakse sageli tänapäeval tardkivimid ja väga vanad kivid.

Kaalium-argooni (K-Ar) dateering: Radioaktiivne kaaliumisotoop on K-40, mis laguneb nii kaltsiumiks (Ca) kui ka argooniks (Ar) suhtega 88,8 protsenti kaltsiumi ja 11,2 protsenti argoon-40.

Argoon on väärisgaas, mis tähendab, et see ei reageeri ega oleks osa kivimite või fossiilide algsest moodustumisest. Igasugune kivimitest või fossiilidest leitud argoon peab seetõttu olema sellise radioaktiivse lagunemise tulemus.

Kaaliumi poolväärtusaeg on 1,25 miljardit aastat, mis muudab selle tehnika kivimite dateerimiseks kasulikuks proovid ulatuvad umbes 100 000 aastat tagasi (varajaste inimeste vanuses) kuni umbes 4,3 miljardini aastaid tagasi. Kaaliumit on Maal väga palju, mistõttu on see suurepärane kohtinguks, kuna seda leidub mõnel tasemel enamikus proovides. See on hea tardkivimite (vulkaaniliste kivimite) dateerimiseks.

Süsinik-14 (C-14) dateering: Süsinik-14 satub organismidesse atmosfäärist. Kui organism sureb, ei ole enam süsinik-14 isotoop võib organismi siseneda ja see hakkab sellest hetkest alates lagunema.

Süsinik-14 laguneb lämmastik-14-ks kõigi meetodite lühima poolväärtusajaga (5730 aastat), mis muudab selle suurepäraseks uute või hiljutiste fossiilide dateerimiseks. Enamasti kasutatakse seda ainult orgaaniliste materjalide, see tähendab loomsete ja taimsete fossiilide jaoks. Süsinikku 14 ei saa kasutada vanemate kui 60 000 aasta vanuste proovide jaoks.

Igal ajahetkel on elusorganismide kudedes kõigil süsinik-12 ja süsinik-14 sama suhe. Kui organism sureb, peatub see, nagu märgitud, uue süsiniku lisamise oma kudedesse ja nii muudab järgnev süsiniku-14 ja lämmastik-14 lagunemine süsiniku-12 ja süsiniku-14 suhet. Võrreldes surnud aine süsiniku-12 ja süsiniku-14 suhet, kui see organism oli elus, saavad teadlased hinnata organismi surmakuupäeva.