Radiometrijsko datiranje: definicija, kako to funkcionira, primjene i primjeri

Ako želite znati koliko netko ili nešto ima godina, općenito se možete osloniti na neku kombinaciju jednostavnog postavljanja pitanja ili guglanja kako biste došli do točnog odgovora. To se odnosi na sve, od doba kolege iz razreda do broja godina u kojima su Sjedinjene Države postojale kao suverena država (243 i računajući od 2019.).

Ali što je s vijekom antičkih predmeta, od novootkrivenog fosila do samog doba Zemlja sebe?

Naravno, možete pretraživati ​​Internet i prilično brzo naučiti da je znanstveni konsenzus priblizavao starost planeta otprilike 4,6 milijardi godina. Ali Google nije izmislio ovaj broj; umjesto toga, pružili su je ljudska domišljatost i primijenjena fizika.

Konkretno, proces tzv radiometrijsko datiranje omogućuje znanstvenicima da utvrde starost predmeta, uključujući starost stijena, u rasponu od tisućama godina do milijardi godina do zadivljujućeg stupnja točnosti.

To se oslanja na provjerenu kombinaciju osnovne matematike i znanja o fizikalnim svojstvima različitih kemijskih elemenata.

Razumjeti tehnike radiometrijskog datiranja, prvo morate razumjeti što se mjeri, kako se vrši mjerenje i teorijska, kao i praktična ograničenja sustava mjerenja koji se koristi.

Kao analogiju recite da se pitate: "Koliko je toplo (ili hladno) vani?" Ono što ovdje zapravo tražite je temperatura, što je u osnovi opis brzine kretanja i sudara molekula u zraku, pretočeno u prikladan broj. Za mjerenje ove aktivnosti potreban vam je uređaj (termometar, od kojih postoje razne vrste).

Također morate znati kada možete ili ne možete primijeniti određenu vrstu uređaja na zadati zadatak; na primjer, ako želite znati koliko je vruće na unutrašnjosti aktivne peći na drva, vjerojatno to razumijete stavljanje termometra za kućanstvo namijenjenog mjerenju tjelesne temperature unutar peći neće dokazati koristan.

Također imajte na umu da već dugi niz stoljeća većina ljudskih "znanja" o starosti stijena, formacija poput Velikog kanjona i sve ostalo oko vas bilo je utemeljeno na Bibliji u Postanku, koji kaže da je čitav kozmos možda 10 000 godine.

Suvremene geološke metode ponekad su se pokazale trnovitima suočavajući se s tako popularnim, ali neobičnim i znanstveno nepodržanim predodžbama.

Radiometrijsko datiranje koristi činjenicu da se sastav određenih minerala (stijene, fosili i drugi vrlo izdržljivi objekti) s vremenom mijenja. Konkretno, relativne količine njihovih sastojaka elementi pomak na matematički predvidljiv način zahvaljujući fenomenu tzv radioaktivni raspad.

To se pak oslanja na znanje o izotopi, od kojih su neki "radioaktivni" (to jest, spontano emitiraju subatomske čestice poznatom brzinom).

Izotopi su različite verzije istog elementa (npr. ugljik, uran, kalij); imaju isti broj protoni, zbog čega se identitet elementa ne mijenja, već različiti brojevi neutronima.

• Vjerojatno ćete susresti ljude i druge izvore koji se na metode radiometrijskog datiranja generički odnose kao "radiokarbonsko datiranje" ili samo "datiranje ugljikom". Ovo nije točnije nego pozivati ​​se na utrke od 5K, 10K i 100 kilometara kao "maratone", a naučit ćete zašto u malo.

Neke stvari u prirodi nestaju s manje ili više konstantnom brzinom, bez obzira na to od čega se započinje i koliko ostaje. Na primjer, određene lijekove, uključujući etilni alkohol, tijelo metabolizira fiksnim brojem grama na sat (ili bilo koje jedinice koje su najprikladnije). Ako netko ima ekvivalent od pet pića u svom sustavu, tijelu treba pet puta više vremena da očisti alkohol nego što bi bilo da ima jedno piće u svom sustavu.

Mnoge se tvari, kako biološke, tako i kemijske, podudaraju s različitim mehanizmom: u određenom vremensko razdoblje, polovica tvari nestat će u određenom vremenu bez obzira koliko je prisutno za početak s. Za takve tvari se kaže da imaju Pola zivota. Radioaktivni izotopi poštuju ovaj princip i imaju izuzetno različite stope propadanja.

Korisnost ovoga leži u mogućnosti izračuna s lakoćom koliko je dani element bio prisutan u trenutku kada je formiran na temelju toga koliko je prisutan u trenutku mjerenja. To je zato što se pretpostavlja da se radioaktivni elementi u potpunosti sastoje od jednog izotopa.

Kako se radioaktivni raspad s vremenom događa, sve više i više ovog najčešćeg izotopa "propada" (tj. Pretvara se) u drugi izotop ili izotope; ti se proizvodi raspadanja prikladno nazivaju kćeri izotopi.

Zamislite da uživate u određenoj vrsti sladoleda s okusom čokoladnih čipsa. Imate podlog, ali ne posebno pametnog cimera koji ne voli sam sladoled, ali ne može odoljeti odabirući jesti čips - i u nastojanju da izbjegne otkrivanje, svaki koji konzumira zamjenjuje s grožđica.

Boji se to učiniti sa svim čokoladnim čipsima, pa umjesto toga svaki dan prevuče polovicu broja preostale čokolade čips i stavlja grožđice na svoje mjesto, nikad do kraja ne dovršavajući svoju đavolsku transformaciju vaše slastice, ali približavajući se i bliže.

Recite drugom prijatelju koji je svjestan posjeta ovom aranžmanu i primijeti da vaša kutija sladoleda sadrži 70 grožđica i 10 čipsa od čokolade. Izjavljuje: "Pretpostavljam da ste išli u kupovinu prije otprilike tri dana." Kako ona to zna?

Jednostavno je: morali ste započeti s ukupno 80 čipsa, jer sada imate 70 + 10 = 80 aditiva u svom sladoledu. Budući da vaš sustanar pojede polovicu čipsa bilo kojeg dana, a ne fiksni broj, u kartonu je dan prije trebalo biti 20 čipsa, 40 dan prije toga i 80 dan ranije.

Izračuni koji uključuju radioaktivne izotope formalniji su, ali slijede isti osnovni princip: Ako znate vrijeme poluraspada radioaktivnog elementa i možete izmjeriti koliki je udio svakog izotopa, možete shvatiti starost fosila, stijene ili drugog entiteta iz kojeg dolazi.

Kaže se da se elementi koji imaju poluvijekove pokoravaju a prva narudžba proces propadanja. Imaju ono što je poznato kao konstanta brzine, koja se obično označava s k. Odnos broja atoma prisutnih na početku (N₀), broj prisutan u trenutku mjerenja N proteklo vrijeme t i konstanta brzine k mogu se zapisati na dva matematički ekvivalentna načina:

N = N₀e^−kt

ili

ln [N / N₀] = −kt

Osim toga, možda biste željeli znati aktivnost A uzorka, obično mjereno u raspadima u sekundi ili dps. To se izražava jednostavno kao:

A = kt

Ne morate znati kako se izvode ove jednadžbe, ali trebali biste biti spremni koristiti ih kako biste riješili probleme koji uključuju radioaktivne izotope.

Znanstvenici zainteresirani za utvrđivanje starosti fosila ili stijene analiziraju uzorak kako bi utvrdili omjer izotopa (ili izotopa) određenog radioaktivnog elementa u odnosu na njegov matični izotop u tome uzorak. Matematički, iz gornjih jednadžbi, ovo je N / N₀. Uz unaprijed poznatu stopu propadanja elementa, a time i njegovo vrijeme poluraspada, izračunavanje njegove dobi je jednostavno.

Trik je znati koji od različitih uobičajenih radioaktivnih izotopa treba tražiti. To zauzvrat ovisi o približnoj očekivanoj starosti objekta jer se radioaktivni elementi raspadaju enormno različitim brzinama.

Također, neće svi objekti s kojima će se datirati imati svaki od uobičajeno korištenih elemenata; možete datirati stavke s određenom tehnikom datiranja samo ako uključuju potreban spoj ili spojeve.

Datovanje urana i olova (U-Pb): Radioaktivni uran dolazi u dva oblika, uran-238 i uran-235. Broj se odnosi na broj protona plus neutrona. Atomski broj urana je 92, što odgovara njegovom broju protona. koji se raspadaju u olovo-206 odnosno olovo-207.

Poluživot urana-238 je 4,47 milijardi godina, dok je uran-235 704 milijuna godina. Budući da se razlikuju za faktor gotovo sedam (podsjetimo da je milijarda 1.000 puta milijun), to pokazuje "provjeru" za pobrinite se da pravilno izračunate starost stijene ili fosila, čineći ovo među najpreciznijim radiometrijskim datiranjem metode.

Dugi poluživoti čine ovu tehniku ​​datiranja prikladnom za posebno stare materijale, stare od oko milijun do 4,5 milijardi godina.

U-Pb datiranje je složeno zbog dva izotopa u igri, ali ovo svojstvo je i ono što ga čini toliko preciznim. Metoda je također tehnički zahtjevna jer olovo može "iscuriti" iz mnogih vrsta stijena, ponekad čineći izračune teškim ili nemogućim.

U-Pb datiranje često se koristi za datiranje magmatskih (vulkanskih) stijena, što je teško učiniti zbog nedostatka fosila; metamorfne stijene; i vrlo stare stijene. Sve je to teško datirati s ostalim ovdje opisanim metodama.

Datiranje Rubidija i stroncija (Rb-Sr):Radioaktivni rubidij-87 se raspada u stroncij-87 s poluživotom od 48,8 milijardi godina. Nije iznenađujuće što se datiranje Ru-Sr koristi za datiranje vrlo starih stijena (zapravo starih koliko i Zemlja, budući da je Zemlja stara "samo" oko 4,6 milijardi godina).

Stroncij postoji u drugim stabilnim (tj. Nesklonim raspadanju) izotopima, uključujući stroncij-86, -88 i -84, u stabilnim količinama u drugim prirodnim organizmima, stijenama i tako dalje. No, budući da je rubidija-87 u Zemljinoj kori obilno, koncentracija stroncija-87 mnogo je veća od koncentracije ostalih izotopa stroncija.

Znanstvenici tada mogu usporediti omjer stroncija-87 i ukupne količine stabilnih izotona stroncija kako bi izračunali razinu propadanja koja stvara otkrivenu koncentraciju stroncija-87.

Ova se tehnika često koristi do danas magmatske stijene i vrlo stare stijene.

Datiranje kalij-argona (K-Ar): Radioaktivni kalijev izotop je K-40, koji se raspada i u kalcij (Ca) i u argon (Ar) u omjeru od 88,8 posto kalcija prema 11,2 posto argona-40.

Argon je plemeniti plin, što znači da nije reaktivan i ne bi bio dio početnog stvaranja bilo kakvih stijena ili fosila. Svaki argon pronađen u stijenama ili fosilima stoga mora biti rezultat ove vrste radioaktivnog raspada.

Poluvrijeme kalija je 1,25 milijardi godina, što čini ovu tehniku ​​korisnom za datiranje stijena uzorci u rasponu od prije otprilike 100 000 godina (tijekom doba ranih ljudi) do oko 4,3 milijarde prije nekoliko godina. Kalija ima vrlo puno na Zemlji, što ga čini izvrsnim za datiranje, jer se nalazi u nekim razinama u većini vrsta uzoraka. Dobar je za datiranje magmatskih stijena (vulkanskih stijena).

Ugljik-14 (C-14) datiranje: Ugljik-14 ulazi u organizme iz atmosfere. Kad organizam umre, više nema izotop ugljika-14 može ući u organizam i počet će propadati počevši od te točke.

Ugljik-14 se raspada u dušik-14 u najkraćem poluživotu svih metoda (5.730 godina), što ga čini savršenim za datiranje novih ili novijih fosila. Uglavnom se koristi samo za organske materijale, odnosno fosile životinja i biljaka. Carbon-14 se ne može koristiti za uzorke starije od 60 000 godina.

U bilo kojem trenutku, tkiva živih organizama imaju jednak omjer ugljika-12 i ugljika-14. Kad organizam umre, kao što je spomenuto, prestaje ugrađivati ​​novi ugljik u svoja tkiva, pa tako i naknadno propadanje ugljika-14 u odnosu na dušik-14 mijenja odnos ugljika-12 prema ugljiku-14. Usporedbom omjera ugljika-12 i ugljika-14 u mrtvoj tvari s omjerom dok je taj organizam bio živ, znanstvenici mogu procijeniti datum smrti organizma.