Radiometrinen treffaus: Määritelmä, miten se toimii, käyttötavat ja esimerkit

Jos haluat tietää, kuinka vanha joku tai joku on, voit yleensä luottaa johonkin yhdistelmään yksinkertaisesti kysymysten esittämisestä tai Googlen käytöstä saadaksesi oikean vastauksen. Tämä koskee kaikkea luokkatoverin iästä siihen vuoteen, jonka Yhdysvallat on ollut suvereenina kansakuntana (243 ja vuodesta 2019 alkaen).

Mutta entä antiikin esineiden aikakaudet vasta löydetystä fossiilista aina sen ikään Maa itse?

Toki, voit pestä Internetiä ja oppia melko nopeasti, että tieteellinen yksimielisyys asettaa planeetan iän noin 4,6 miljardia vuotta. Mutta Google ei keksinyt tätä numeroa; sen sijaan ihmisen kekseliäisyys ja soveltava fysiikka ovat tarjonneet sen.

Tarkemmin sanottuna prosessi radiometrinen dating Sen avulla tutkijat voivat määrittää esineiden ikät, mukaan lukien kivien ikät, aina tuhansista vuosien ja miljardien vuosien ikäisiin asti.

Tämä perustuu todistettuun yhdistelmään matematiikkaa ja tietoa kemiallisten alkuaineiden fysikaalisista ominaisuuksista.

Ymmärtää radiometriset treffitekniikat, sinun on ensin ymmärrettävä mitä mitataan, miten mittaus tehdään ja mitatun järjestelmän teoreettiset ja käytännön rajoitukset.

Sanokaa vastaavasti, että ihmettelette: "Kuinka lämmin (tai kylmä) ulkona on?" Mitä todella etsit täältä, on lämpötila, joka on pohjimmiltaan kuvaus siitä, kuinka nopeasti ilmassa olevat molekyylit liikkuvat ja törmäävät toisiinsa, käännettynä sopivaan lukuun. Tarvitset laitteen tämän toiminnan mittaamiseen (lämpömittari, jota on olemassa erilaisia).

Sinun on myös tiedettävä, milloin voit tai ei voi käyttää tietyntyyppistä laitetta käsiteltävään tehtävään. esimerkiksi jos haluat tietää kuinka kuuma se on aktiivisen puuhellin sisäpuolella, ymmärrät todennäköisesti sen ruumiinlämpötilan mittaamiseen tarkoitetun kotitalouslämpömittarin asettaminen uuniin ei todista hyödyllinen.

Huomaa myös, että vuosisatojen ajan suurin osa ihmisen "tiedoista" kivien, muodostumien, kuten Grand Canyonin, ja kaikki muu ympärilläsi oli ennustettu Raamatun Genesis-kertomuksessa, jonka mukaan koko kosmos on ehkä 10000 vuotta vanha.

Nykyaikaiset geologiset menetelmät ovat toisinaan osoittautuneet vaikeiksi tällaisten suosittujen, mutta viehättävien ja tieteellisesti tuettujen käsitteiden edessä.

Radiometrinen dataus hyödyntää sitä, että tiettyjen mineraalien (kivet, fossiilit ja muut erittäin kestävät esineet) koostumus muuttuu ajan myötä. Erityisesti niiden ainesosan suhteelliset määrät elementtejä nimeltään ilmiön ansiosta matemaattisesti ennustettavissa olevalla tavalla radioaktiivinen hajoaminen.

Tämä puolestaan ​​perustuu tietoon isotoopitjoista osa on "radioaktiivisia" (toisin sanoen ne lähettävät spontaanisti subatomisia hiukkasia tunnetulla nopeudella).

Isotoopit ovat saman version (esim. hiili, uraani, kalium) eri versioita; heillä on sama määrä protonit, minkä vuoksi elementin identiteetti ei muutu, vaan eri numerot neutronit.

• Todennäköisesti kohtaat ihmisiä ja muita lähteitä, jotka viittaavat radiometrisiin treffimenetelmiin yleisesti "radiohiilidataa" tai "hiilidiittaus". Tämä ei ole tarkempaa kuin viitata 5K, 10K ja 100 mailin juoksukilpailuihin "maratonina", ja opit miksi bitti.

Jotkut asiat luonnossa katoavat enemmän tai vähemmän vakiona, riippumatta siitä, kuinka paljon on aloitettava ja kuinka paljon on jäljellä. Esimerkiksi tietyt lääkkeet, mukaan lukien etyylialkoholi, metaboloituvat elimistössä kiinteänä määränä grammaa tunnissa (tai mikä tahansa yksikkö on sopivinta). Jos jonkun järjestelmässä on viisi juomaa, keholla kestää viisi kertaa niin kauan alkoholin tyhjentäminen kuin jos hänellä olisi yksi juoma järjestelmässään.

Monet aineet, kuitenkin sekä biologiset että kemialliset, ovat eri mekanismin mukaisia: tietyssä ajanjaksolla puolet aineesta katoaa kiinteässä ajassa riippumatta siitä, kuinka paljon läsnä on alkua kanssa. Tällaisilla aineilla sanotaan olevan a puolikas elämä. Radioaktiiviset isotoopit noudattavat tätä periaatetta, ja niiden hajoamisnopeudet ovat erittäin erilaiset.

Tämän hyödyllisyys on siinä, että pystyt helposti laskemaan, kuinka suuri osa elementistä oli läsnä sen muodostushetkellä sen perusteella, kuinka paljon sitä on läsnä mittaushetkellä. Tämä johtuu siitä, että kun radioaktiiviset alkuaineet syntyvät ensimmäisen kerran, niiden oletetaan koostuvan kokonaan yhdestä isotoopista.

Kun radioaktiivinen hajoaminen tapahtuu ajan myötä, yhä useampi tästä yleisimmästä isotoopista "hajoaa" (ts. Muuttuu) eri isotoopiksi tai isotoopeiksi; näitä hajoamistuotteita kutsutaan asianmukaisesti tytärisotoopit.

Kuvittele, että nautit tietynlaisesta jäätelöstä, joka on maustettu suklaalastulla. Sinulla on huono, mutta ei erityisen fiksu kämppäkaveri, joka ei pidä itse jäätelöstä, mutta ei voi vastustaa poimi sirujen syöminen - ja välttääkseen havaitsemisen hän korvaa jokaisen kuluttamansa a: lla rusina.

Hän pelkää tehdä tämän kaikkien suklaalastujen kanssa, joten pyyhkäisee sen sijaan joka päivä puolet jäljellä olevan suklaan määrästä sirut ja laittaa rusinoita paikoilleen, koskaan viimeistelemättä jälkiruokasi pirullista muutosta, mutta lähestymällä ja lähempänä.

Sano toinen ystävä, joka on tietoinen tästä järjestelystä, vierailee ja huomaa, että pakkausjäätelösi sisältää 70 rusinaa ja 10 suklaalastua. Hän julistaa: "Luulit, että kävit ostoksilla noin kolme päivää sitten." Mistä hän tietää tämän?

Se on yksinkertaista: Sinun on täytynyt aloittaa yhteensä 80 pelimerkillä, koska sinulla on nyt 70 + 10 = 80 lisäaineita jäätelösi. Koska kämppiksesi syö puolet pelimerkkeistä tiettynä päivänä eikä kiinteää numeroa, pahvikotelossa on oltava ollut edellisenä päivänä 20, edellisenä päivänä 40 ja edellisenä päivänä 80 sirua.

Radioaktiivisia isotooppeja koskevat laskelmat ovat muodollisempia, mutta noudattavat samaa perusperiaatetta: Jos tiedät radioaktiivisen elementin puoliintumisajan ja pystyt mittaamaan, kuinka paljon kutakin isotooppia on läsnä, voit selvittää sen fossiilin, kiven tai muun alkion iän.

Elementtien, joilla on puoliintumisajat, sanotaan noudattavan a ensimmäinen tilaus hajoamisprosessi. Heillä on ns. Nopeusvakio, jota yleensä merkitään k: llä. Alussa olevien atomien lukumäärän suhde (N₀), mittaushetkellä oleva luku N kulunut aika t ja nopeusvakio k voidaan kirjoittaa kahdella matemaattisesti vastaavalla tavalla:

N = N₀e^−kt

tai

ln [ei / ei₀] = −kt

Lisäksi saatat haluta tietää toiminta Näytteen A, mitattuna tyypillisesti hajoamisina sekunnissa tai dps. Tämä ilmaistaan ​​yksinkertaisesti seuraavasti:

A = kt

Sinun ei tarvitse tietää, miten nämä yhtälöt johdetaan, mutta sinun pitäisi olla valmis käyttämään niitä, jotta ratkaistaisiin radioaktiivisten isotooppien ongelmat.

Tutkijat, jotka ovat kiinnostuneita fossiilin tai kiven iän selvittämisestä, analysoivat näytteen sen määrittämiseksi tietyn radioaktiivisen elementin tytärisotoopin (tai -isotooppien) suhde sen isotooppiin siinä näyte. Matemaattisesti edellä olevista yhtälöistä tämä on N / N₀. Elementin hajoamisnopeuden ja siten sen etukäteen tunnetun puoliintumisajan kanssa sen iän laskeminen on suoraviivaista.

Temppu on tietää, mitä useista tavallisista radioaktiivisista isotoopeista on etsittävä. Tämä puolestaan ​​riippuu kohteen likimääräisestä odotetusta iästä, koska radioaktiiviset elementit hajoavat valtavasti eri nopeuksilla.

Kaikilla päivitettävillä esineillä ei myöskään ole kaikkia yleisesti käytettyjä elementtejä; Voit päivämäärätä kohteita tietyllä treffitekniikalla vain, jos ne sisältävät tarvittavan yhdisteen tai yhdisteitä.

Uraanijohdon (U-Pb) dating: Radioaktiivista uraania on kahta muotoa, uraani-238 ja uraani-235. Luku viittaa protonien ja neutronien lukumäärään. Uraanin atomiluku on 92, mikä vastaa sen protonien määrää. jotka hajoavat lyijy-206: ksi ja lyijy-207: ksi.

Uraani-238: n puoliintumisaika on 4,47 miljardia vuotta, kun taas uraani-235: n puoliintumisaika on 704 miljoonaa vuotta. Koska nämä eroavat melkein seitsemän kertoimella (muistakaa, että miljardi on 1000 kertaa miljoona), se osoittaa "tarkastuksen" varmista, että lasket kiven tai fossiilin iän oikein, mikä tekee siitä tarkimman radiometrisen datan menetelmiä.

Pitkät puoliintumisajat tekevät tästä treffitekniikasta sopivan erityisesti vanhoille materiaaleille, noin miljoonasta 4,5 miljardiin vuoteen.

U-Pb-dating on monimutkainen kahden pelissä olevan isotoopin takia, mutta tämä ominaisuus tekee siitä myös niin tarkan. Menetelmä on myös teknisesti haastava, koska lyijy voi "vuotaa" monenlaisista kivistä, mikä toisinaan tekee laskelmista vaikeaa tai mahdotonta.

U-Pb-dataa käytetään usein magmakivien (tulivuoren) päivämäärittämiseen, mikä voi olla vaikea tehdä fossiilien puutteen vuoksi; metamorfiset kivet; ja hyvin vanhoja kiviä. Kaikkia näitä on vaikea päivittää muiden tässä kuvattujen menetelmien kanssa.

Rubidium-strontium (Rb-Sr) dating:Radioaktiivinen rubidium-87 hajoaa strontium-87: ksi, jonka puoliintumisaika on 48,8 miljardia vuotta. Ei ole yllättävää, että Ru-Sr-dataa käytetään hyvin vanhojen kivien (itse asiassa yhtä vanhojen kuin maapallon, koska maa on "vain" noin 4,6 miljardia vuotta vanha) päivämäärään.

Strontiumia esiintyy muissa stabiileissa (ts. Ei hajoamisalttiissa) isotoopeissa, mukaan lukien strontium-86, -88 ja -84, stabiileina määrinä muissa luonnon organismeissa, kivissä ja niin edelleen. Mutta koska rubidium-87: tä on runsaasti maapallon kuoressa, strontium-87: n pitoisuus on paljon suurempi kuin muiden strontiumin isotooppien.

Tutkijat voivat sitten verrata strontium-87: n suhdetta stabiilien strontium-isotooppien kokonaismäärään laskeaksesi hajoamistason, joka tuottaa havaitun strontium-87-konsentraation.

Tätä tekniikkaa käytetään usein tähän mennessä tuliperäiset kivet ja hyvin vanhoja kiviä.

Kalium-argonin (K-Ar) dating: Radioaktiivinen kaliumisotooppi on K-40, joka hajoaa sekä kalsiumiksi (Ca) että argoniksi (Ar) suhteessa 88,8 prosenttia kalsiumia 11,2 prosenttiin argon-40.

Argon on jalokaasu, mikä tarkoittaa, että se ei reagoi eikä olisi osa kivien tai fossiilien alkumuodostusta. Kaikkien kivistä tai fossiileista löydetyn argonin on siis oltava tällaisen radioaktiivisen hajoamisen tulos.

Kaliumin puoliintumisaika on 1,25 miljardia vuotta, joten tämä tekniikka on hyödyllinen rock-treffailulle näytteet vaihtelivat noin 100 000 vuotta sitten (varhaisen ihmisen iässä) noin 4,3 miljardiin vuosia sitten. Kaliumia on maapallolla hyvin runsaasti, joten se on erinomainen treffailuun, koska sitä löytyy joillakin tasoilla useimmissa näytteissä. Se on hyvä magmakivien (tulivuorikivien) dating.

Hiili-14 (C-14) -ajoitus: Hiili-14 tulee organismeihin ilmakehästä. Kun organismi kuolee, ei enää hiili-14-isotooppi voi päästä organismiin, ja se alkaa hajota siitä hetkestä alkaen.

Hiili-14 hajoaa typpi-14: ksi kaikkien menetelmien lyhyimmällä puoliintumisajalla (5730 vuotta), mikä tekee siitä täydellisen uusien tai viimeaikaisten fossiilien dating. Sitä käytetään enimmäkseen vain orgaanisiin materiaaleihin, eli eläin- ja kasvien fossiileihin. Hiili-14: ää ei voida käyttää yli 60000 vuotta vanhoissa näytteissä.

Elävien organismien kudoksissa on kulloinkin sama hiili-12: n suhde hiili-14: een. Kun organismi kuolee, kuten huomautettiin, se lopettaa uuden hiilen sisällyttämisen kudoksiinsa, joten hiili-14: n myöhempi hajoaminen typpi-14: ksi muuttaa hiili-12: n ja hiili-14: n suhdetta. Vertailemalla kuolleen aineen hiili-12: n ja hiili-14: n suhdetta kyseisen organismin elinaikana, tutkijat voivat arvioida organismin kuoleman päivämäärän.