Si vous voulez connaître l'âge de quelqu'un ou de quelque chose, vous pouvez généralement vous fier à une combinaison de questions ou de recherche sur Google pour obtenir une réponse précise. Cela s'applique à tout, de l'âge d'un camarade de classe au nombre d'années d'existence des États-Unis en tant que nation souveraine (243 et comptant à partir de 2019).
Mais qu'en est-il des âges des objets de l'antiquité, d'un fossile nouvellement découvert à l'âge même de la Terre lui-même ?
Bien sûr, vous pouvez parcourir Internet et apprendre assez rapidement que le consensus scientifique fixe l'âge de la planète à environ 4,6 milliards d'années. Mais Google n'a pas inventé ce nombre; au lieu de cela, l'ingéniosité humaine et la physique appliquée l'ont fourni.
Plus précisément, un processus appelé datation radiométrique permet aux scientifiques de déterminer l'âge des objets, y compris l'âge des roches, allant de milliers d'années à des milliards d'années avec un degré de précision merveilleux.
Cela repose sur une combinaison éprouvée de mathématiques de base et de connaissances des propriétés physiques de différents éléments chimiques.
Datation radiométrique: comment ça marche ?
Comprendre techniques de datation radiométrique, vous devez d'abord comprendre ce qui est mesuré, comment la mesure est effectuée et les limites théoriques et pratiques du système de mesure utilisé.
Par analogie, disons que vous vous demandez: « À quel point il fait chaud (ou froid) dehors? Ce que vous recherchez en fait ici, c'est le Température, qui est fondamentalement une description de la vitesse à laquelle les molécules dans l'air se déplacent et entrent en collision les unes avec les autres, traduite en un nombre pratique. Il vous faut un appareil pour mesurer cette activité (un thermomètre, il en existe plusieurs sortes).
Vous devez également savoir quand vous pouvez ou ne pouvez pas appliquer un type particulier d'appareil à la tâche à accomplir; par exemple, si vous voulez savoir à quel point il fait chaud à l'intérieur d'un poêle à bois actif, vous comprenez probablement que mettre un thermomètre domestique destiné à mesurer la température corporelle à l'intérieur du poêle ne va pas prouver utile.
Sachez également que pendant de nombreux siècles, la plupart des "connaissances" humaines de l'âge des roches, des formations telles que le Grand Canyon et tout le reste autour de vous était fondé sur le récit de la Genèse de la Bible, qui postule que le cosmos entier est peut-être 10 000 ans.
Les méthodes géologiques modernes se sont parfois révélées épineuses face à des notions aussi populaires mais étranges et scientifiquement non étayées.
Pourquoi utiliser cet outil ?
La datation radiométrique tire parti du fait que la composition de certains minéraux (roches, fossiles et autres objets très durables) change avec le temps. Plus précisément, les quantités relatives de leurs constituants éléments changement d'une manière mathématiquement prévisible grâce à un phénomène appelé désintégration radioactive.
Celle-ci repose à son tour sur la connaissance de isotopes, dont certains sont "radioactifs" (c'est-à-dire qu'ils émettent spontanément des particules subatomiques à un taux connu).
Isotopes sont des versions différentes du même élément (par exemple, le carbone, l'uranium, le potassium); ils ont le même nombre de protons, c'est pourquoi l'identité de l'élément ne change pas, mais différents nombres de neutrons.
- Vous êtes susceptible de rencontrer des personnes et d'autres sources qui se réfèrent à des méthodes de datation radiométrique génériquement comme « datation au radiocarbone » ou simplement "datation au carbone." Ce n'est pas plus exact que de désigner les courses de 5 km, 10 km et 100 milles comme des « marathons », et vous apprendrez pourquoi dans un bit.
Le concept de demi-vie
Certaines choses dans la nature disparaissent à un rythme plus ou moins constant, peu importe ce qu'il y a au départ et ce qu'il en reste. Par exemple, certaines drogues, y compris l'alcool éthylique, sont métabolisées par l'organisme à un nombre fixe de grammes par heure (ou selon les unités les plus pratiques). Si quelqu'un a l'équivalent de cinq verres dans son système, le corps met cinq fois plus de temps pour éliminer l'alcool que s'il avait un seul verre dans son système.
Cependant, de nombreuses substances, tant biologiques que chimiques, obéissent à un mécanisme différent: dans un période de temps, la moitié de la substance disparaîtra dans un temps fixe, peu importe la quantité présente pour commencer avec. On dit que de telles substances ont un demi-vie. Les isotopes radioactifs obéissent à ce principe et ont des taux de désintégration très différents.
L'utilité de ceci réside dans la possibilité de calculer facilement la quantité d'un élément donné qui était présente au moment de sa formation en fonction de la quantité présente au moment de la mesure. En effet, lorsque les éléments radioactifs apparaissent pour la première fois, ils sont présumés consister entièrement en un seul isotope.
À mesure que la désintégration radioactive se produit au fil du temps, de plus en plus de cet isotope le plus courant se « désintègre » (c'est-à-dire est converti) en un ou plusieurs isotopes différents; ces produits de désintégration sont appelés à juste titre isotopes filles.
Une définition de la demi-vie de crème glacée
Imaginez que vous dégustez une certaine sorte de crème glacée parfumée aux pépites de chocolat. Vous avez un colocataire sournois, mais pas spécialement intelligent, qui n'aime pas la glace en elle-même, mais ne peut pas résister choisir de manger les chips - et dans un effort pour éviter d'être détecté, il remplace chacun qu'il consomme par un raisin.
Il a peur de le faire avec toutes les pépites de chocolat, alors à la place, chaque jour, il glisse la moitié du nombre de chocolat restant frites et met les raisins secs à leur place, n'achevant jamais tout à fait sa transformation diabolique de votre dessert, mais se rapprochant et plus proche.
Supposons qu'un deuxième ami qui est au courant de cet arrangement visite et remarque que votre carton de crème glacée contient 70 raisins secs et 10 pépites de chocolat. Elle déclare: "Je suppose que vous êtes allé faire du shopping il y a environ trois jours." Comment le sait-elle ?
C'est simple: vous devez avoir commencé avec un total de 80 chips, car vous avez maintenant 70 + 10 = 80 additifs au total pour votre crème glacée. Parce que votre colocataire mange la moitié des jetons un jour donné, et non un nombre fixe, le carton doit contenir 20 jetons la veille, 40 la veille et 80 la veille.
Les calculs impliquant des isotopes radioactifs sont plus formels mais suivent le même principe de base: Si vous connaissez la demi-vie de l'élément radioactif et pouvez mesurer la quantité de chaque isotope présent, vous pouvez déterminer l'âge du fossile, de la roche ou de toute autre entité dont il provient.
Équations clés dans la datation radiométrique
On dit que les éléments qui ont des demi-vies obéissent à un Premier ordre processus de décomposition. Ils ont ce qu'on appelle une constante de vitesse, généralement désignée par k. La relation entre le nombre d'atomes présents au départ (N0), le nombre présent au moment de la mesure N le temps écoulé t, et la constante de vitesse k peuvent s'écrire de deux manières mathématiquement équivalentes :
De plus, vous souhaiterez peut-être connaître les activité A d'un échantillon, généralement mesuré en désintégrations par seconde ou en dps. Cela s'exprime simplement comme :
A = kt
Vous n'avez pas besoin de savoir comment ces équations sont dérivées, mais vous devez être prêt à les utiliser pour résoudre des problèmes impliquant des isotopes radioactifs.
Utilisations de la datation radiométrique
Les scientifiques intéressés à déterminer l'âge d'un fossile ou d'une roche analysent un échantillon pour déterminer le rapport de l'isotope (ou des isotopes) fils d'un élément radioactif donné à son isotope parent dans ce goûter. Mathématiquement, à partir des équations ci-dessus, c'est N/N0. Avec le taux de désintégration de l'élément, et donc sa demi-vie, connus à l'avance, le calcul de son âge est simple.
L'astuce consiste à savoir lequel des divers isotopes radioactifs courants rechercher. Cela dépend à son tour de l'âge approximatif attendu de l'objet, car les éléments radioactifs se désintègrent à des rythmes extrêmement différents.
Aussi, tous les objets à dater n'auront pas chacun des éléments couramment utilisés; vous ne pouvez dater des éléments avec une technique de datation donnée que s'ils incluent le ou les composés nécessaires.
Exemples de datation radiométrique
Datation uranium-plomb (U-Pb) : L'uranium radioactif se présente sous deux formes, l'uranium-238 et l'uranium-235. Le nombre fait référence au nombre de protons plus les neutrons. Le numéro atomique de l'uranium est 92, correspondant à son nombre de protons. qui se désintègrent respectivement en plomb-206 et plomb-207.
La demi-vie de l'uranium-238 est de 4,47 milliards d'années, tandis que celle de l'uranium-235 est de 704 millions d'années. Parce que ceux-ci diffèrent par un facteur de près de sept (rappelez-vous qu'un milliard est 1 000 fois un million), cela s'avère un « contrôle » pour assurez-vous que vous calculez correctement l'âge de la roche ou du fossile, ce qui en fait l'une des datations radiométriques les plus précises méthodes.
Les longues demi-vies rendent cette technique de datation adaptée aux matériaux particulièrement anciens, âgés d'environ 1 million à 4,5 milliards d'années.
La datation U-Pb est complexe à cause des deux isotopes en jeu, mais c'est aussi cette propriété qui la rend si précise. La méthode est également techniquement difficile car le plomb peut « s'échapper » de nombreux types de roches, ce qui rend parfois les calculs difficiles, voire impossibles.
La datation U-Pb est souvent utilisée pour dater les roches ignées (volcaniques), ce qui peut être difficile à faire en raison du manque de fossiles; roches métamorphiques; et de très vieilles roches. Toutes ces méthodes sont difficiles à dater avec les autres méthodes décrites ici.
Datation rubidium-strontium (Rb-Sr) :Radioactif le rubidium-87 se désintègre en strontium-87 avec une demi-vie de 48,8 milliards d'années. Sans surprise, la datation Ru-Sr est utilisée pour dater des roches très anciennes (aussi vieilles que la Terre, en fait, puisque la Terre n'a "que" environ 4,6 milliards d'années).
Le strontium existe dans d'autres isotopes stables (c'est-à-dire non sujets à la désintégration), y compris le strontium-86, -88 et -84, en quantités stables dans d'autres organismes naturels, roches, etc. Mais parce que le rubidium-87 est abondant dans la croûte terrestre, la concentration de strontium-87 est beaucoup plus élevée que celle des autres isotopes du strontium.
Les scientifiques peuvent ensuite comparer le rapport du strontium-87 à la quantité totale d'isotopes stables du strontium pour calculer le niveau de désintégration qui produit la concentration détectée de strontium-87.
Cette technique est souvent utilisée à ce jour roches ignées et de très vieilles roches.
Datation potassium-argon (K-Ar) : L'isotope radioactif du potassium est le K-40, qui se désintègre à la fois en calcium (Ca) et en argon (Ar) dans un rapport de 88,8 pour cent de calcium pour 11,2 pour cent d'argon-40.
L'argon est un gaz noble, ce qui signifie qu'il n'est pas réactif et ne ferait pas partie de la formation initiale de roches ou de fossiles. Tout argon trouvé dans une roche ou un fossile doit donc être le résultat de ce type de désintégration radioactive.
La demi-vie du potassium est de 1,25 milliard d'années, ce qui rend cette technique utile pour dater la roche échantillons allant d'environ 100 000 ans (au cours de l'âge des premiers humains) à environ 4,3 milliards il y a des années. Le potassium est très abondant sur Terre, ce qui le rend idéal pour la datation, car il se trouve à certains niveaux dans la plupart des types d'échantillons. Il est bon pour dater les roches ignées (roches volcaniques).
Datation au carbone 14 (C-14) : Le carbone 14 pénètre dans les organismes depuis l'atmosphère. Lorsque l'organisme meurt, il n'y a plus de isotope carbone-14 peut entrer dans l'organisme, et il commencera à se décomposer à partir de ce point.
Le carbone-14 se désintègre en azote-14 dans la demi-vie la plus courte de toutes les méthodes (5 730 ans), ce qui le rend parfait pour dater des fossiles nouveaux ou récents. Il n'est principalement utilisé que pour les matières organiques, c'est-à-dire les fossiles d'animaux et de plantes. Le carbone-14 ne peut pas être utilisé pour des échantillons de plus de 60 000 ans.
À un moment donné, les tissus des organismes vivants ont tous le même rapport de carbone-12 à carbone-14. Lorsqu'un organisme meurt, comme indiqué, il cesse d'incorporer du nouveau carbone dans ses tissus, et ainsi la décomposition subséquente du carbone-14 en azote-14 modifie le rapport du carbone-12 au carbone-14. En comparant le rapport du carbone 12 au carbone 14 dans la matière morte au rapport lorsque cet organisme était vivant, les scientifiques peuvent estimer la date de la mort de l'organisme.