Datazione radiometrica: definizione, come funziona, usi ed esempi

Se vuoi sapere quanti anni ha qualcuno o qualcosa, generalmente puoi fare affidamento su una combinazione di semplici domande o su Google per arrivare a una risposta accurata. Questo vale per tutto, dall'età di un compagno di classe al numero di anni in cui gli Stati Uniti sono esistiti come nazione sovrana (243 e fino al 2019).

Ma che dire delle età degli oggetti antichi, da un fossile appena scoperto fino all'età stessa del very Terra si?

Certo, puoi setacciare Internet e imparare piuttosto rapidamente che il consenso scientifico fissa l'età del pianeta a circa 4,6 miliardi di anni. Ma Google non ha inventato questo numero; invece, l'ingegno umano e la fisica applicata lo hanno fornito.

In particolare, un processo chiamato datazione radiometrica consente agli scienziati di determinare l'età degli oggetti, comprese le età delle rocce, che vanno da migliaia di anni a miliardi di anni con un meraviglioso grado di accuratezza.

Ciò si basa su una comprovata combinazione di matematica di base e conoscenza delle proprietà fisiche di diversi elementi chimici.

Capire tecniche di datazione radiometrica, è necessario prima comprendere cosa viene misurato, come viene effettuata la misurazione e le limitazioni teoriche e pratiche del sistema di misurazione utilizzato.

Per analogia, supponiamo che ti ritrovi a chiederti: "Quanto fa caldo (o freddo) fuori?" Quello che stai effettivamente cercando qui è il temperatura, che è fondamentalmente una descrizione della velocità con cui le molecole nell'aria si muovono e si scontrano tra loro, tradotta in un numero conveniente. È necessario un dispositivo per misurare questa attività (un termometro, di cui esistono vari tipi).

Devi anche sapere quando puoi o non puoi applicare un particolare tipo di dispositivo all'attività da svolgere; ad esempio, se vuoi sapere quanto fa caldo all'interno di una stufa a legna attiva, probabilmente lo capirai mettere un termometro domestico destinato a misurare la temperatura corporea all'interno della stufa non si rivelerà utile.

Siate anche consapevoli che per molti secoli, la maggior parte della "conoscenza" umana dell'età delle rocce, delle formazioni come il Grand Canyon e tutto il resto intorno a te era basato sul racconto della Genesi della Bibbia, che postula che l'intero cosmo è forse 10.000 Anni.

I moderni metodi geologici si sono talvolta rivelati spinosi di fronte a nozioni così popolari ma bizzarre e scientificamente non supportate.

La datazione radiometrica sfrutta il fatto che la composizione di alcuni minerali (rocce, fossili e altri oggetti altamente durevoli) cambia nel tempo. In particolare, gli importi relativi del loro costituente elementi spostamento in modo matematicamente prevedibile grazie ad un fenomeno chiamato decadimento radioattivo.

Questo a sua volta si basa sulla conoscenza di isotopi, alcuni dei quali sono "radioattivi" (cioè emettono spontaneamente particelle subatomiche a una velocità nota).

isotopi sono versioni differenti dello stesso elemento (es. carbonio, uranio, potassio); hanno lo stesso numero di protoni, motivo per cui non cambia l'identità dell'elemento, ma diversi numeri di neutroni.

• È probabile che incontri persone e altre fonti che si riferiscono ai metodi di datazione radiometrica genericamente come "datazioni al radiocarbonio" o semplicemente "datazione al carbonio." Questo non è più accurato che riferirsi alle gare di corsa di 5K, 10K e 100 miglia come "maratone", e imparerai perché in un po.

Alcune cose in natura scompaiono a un ritmo più o meno costante, indipendentemente da quanto c'è per cominciare e quanto rimane. Ad esempio, alcuni farmaci, incluso l'alcol etilico, vengono metabolizzati dall'organismo a un numero fisso di grammi all'ora (o qualsiasi unità sia più conveniente). Se qualcuno ha l'equivalente di cinque drink nel suo sistema, il corpo impiega cinque volte il tempo per eliminare l'alcol come farebbe se avesse un drink nel suo sistema.

Molte sostanze, tuttavia, sia biologiche che chimiche, si conformano a un meccanismo diverso: in un dato periodo di tempo, metà della sostanza scomparirà in un tempo fisso, non importa quanto sia presente per iniziare con. Si dice che tali sostanze abbiano un metà vita. Gli isotopi radioattivi obbediscono a questo principio e hanno tassi di decadimento molto diversi.

L'utilità di ciò sta nel poter calcolare con facilità quanto di un dato elemento era presente nel momento in cui è stato formato in base a quanto è presente al momento della misurazione. Questo perché quando gli elementi radioattivi si formano per la prima volta, si presume che siano costituiti interamente da un singolo isotopo.

Poiché il decadimento radioattivo si verifica nel tempo, sempre più isotopi più comuni "decadono" (cioè vengono convertiti) in uno o più isotopi diversi; questi prodotti di decadimento sono opportunamente chiamati isotopi della figlia.

Immagina di gustare un certo tipo di gelato al gusto di gocce di cioccolato. Hai un coinquilino subdolo, ma non particolarmente intelligente, a cui non piace il gelato in sé, ma non può resistere scegliendo mangiando le patatine - e nel tentativo di evitare di essere scoperto, sostituisce ognuna che consuma con una Uvetta.

Ha paura di farlo con tutte le gocce di cioccolato, così invece, ogni giorno, strofina metà del numero di cioccolato rimanente patatine e mette l'uvetta al loro posto, senza mai completare del tutto la sua diabolica trasformazione del tuo dolce, ma avvicinandosi e più vicino.

Diciamo che un secondo amico che è a conoscenza di questa disposizione visita e nota che il tuo cartone di gelato contiene 70 uvetta e 10 gocce di cioccolato. Dichiara: "Immagino che tu sia andato a fare shopping circa tre giorni fa". Come fa a saperlo?

È semplice: devi aver iniziato con un totale di 80 patatine, perché ora hai 70 + 10 = 80 additivi totali per il tuo gelato. Poiché il tuo compagno di stanza mangia metà delle patatine in un dato giorno, e non un numero fisso, il cartone deve aver contenuto 20 patatine il giorno prima, 40 il giorno prima e 80 il giorno prima.

I calcoli che coinvolgono gli isotopi radioattivi sono più formali ma seguono lo stesso principio di base: Se conosci l'emivita dell'elemento radioattivo e puoi misurare la quantità di ciascun isotopo presente, puoi capire l'età del fossile, della roccia o di un'altra entità da cui proviene.

Si dice che gli elementi che hanno tempi di dimezzamento obbediscono a primo ordine processo di decadimento. Hanno quella che è nota come costante di velocità, solitamente indicata con k. La relazione tra il numero di atomi presenti all'inizio (N₀), il numero presente al momento della misurazione N il tempo trascorso t, e la costante di velocità k possono essere scritte in due modi matematicamente equivalenti:

N = N₀e^−kt

o

ln[N/N₀] = −kt

Inoltre, potresti voler conoscere il attività A di un campione, tipicamente misurato in disintegrazioni al secondo o dps. Questo è espresso semplicemente come:

A = kt

Non è necessario sapere come vengono derivate queste equazioni, ma dovresti essere pronto a usarle in modo da risolvere i problemi che coinvolgono gli isotopi radioattivi.

Gli scienziati interessati a capire l'età di un fossile o di una roccia analizzano un campione per determinare la rapporto tra l'isotopo figlio (o gli isotopi) di un dato elemento radioattivo rispetto al suo isotopo genitore in quel campione. Matematicamente, dalle equazioni di cui sopra, questo è N/N₀. Con il tasso di decadimento dell'elemento, e quindi il suo tempo di dimezzamento, noto in anticipo, il calcolo della sua età è semplice.

Il trucco è sapere quale dei vari isotopi radioattivi comuni cercare. Questo a sua volta dipende dall'età approssimativa prevista dell'oggetto perché gli elementi radioattivi decadono a velocità enormemente diverse.

Inoltre, non tutti gli oggetti da datare avranno ciascuno degli elementi comunemente usati; puoi datare elementi con una data tecnica di datazione solo se includono il composto o i composti necessari.

Datazione uranio-piombo (U-Pb): L'uranio radioattivo si presenta in due forme, uranio-238 e uranio-235. Il numero si riferisce al numero di protoni più neutroni. Il numero atomico dell'uranio è 92, corrispondente al suo numero di protoni. che decadono rispettivamente in piombo-206 e piombo-207.

L'emivita dell'uranio-238 è di 4,47 miliardi di anni, mentre quella dell'uranio-235 è di 704 milioni di anni. Poiché questi differiscono di un fattore quasi sette (ricordiamo che un miliardo è 1.000 volte un milione), si rivela un "controllo" per assicurati di calcolare correttamente l'età della roccia o del fossile, rendendo questa datazione radiometrica tra le più precise metodi.

Le lunghe emivite rendono questa tecnica di datazione adatta a materiali particolarmente antichi, da circa 1 milione a 4,5 miliardi di anni.

La datazione U-Pb è complessa a causa dei due isotopi in gioco, ma questa proprietà è anche ciò che la rende così precisa. Il metodo è anche tecnicamente impegnativo perché il piombo può "fuoriuscire" da molti tipi di rocce, rendendo a volte difficili o impossibili i calcoli.

La datazione U-Pb è spesso usata per datare rocce ignee (vulcaniche), che possono essere difficili da fare a causa della mancanza di fossili; rocce metamorfiche; e rocce molto antiche. Tutti questi sono difficili da datare con gli altri metodi descritti qui.

Datazione rubidio-stronzio (Rb-Sr):Radioattivo rubidio-87 decade in stronzio-87 con un'emivita di 48,8 miliardi di anni. Non sorprende che la datazione Ru-Sr sia utilizzata per datare rocce molto antiche (vecchie quanto la Terra, infatti, poiché la Terra ha "solo" circa 4,6 miliardi di anni).

Lo stronzio esiste in altri isotopi stabili (cioè non soggetti a decadimento), inclusi lo stronzio-86, -88 e -84, in quantità stabili in altri organismi naturali, rocce e così via. Ma poiché il rubidio-87 è abbondante nella crosta terrestre, la concentrazione di stronzio-87 è molto più alta di quella degli altri isotopi di stronzio.

Gli scienziati possono quindi confrontare il rapporto dello stronzio-87 con la quantità totale di isotopi di stronzio stabili per calcolare il livello di decadimento che produce la concentrazione rilevata di stronzio-87.

Questa tecnica è spesso usata fino ad oggi rocce ignee e rocce molto antiche.

Datazione potassio-argon (K-Ar): L'isotopo radioattivo del potassio è il K-40, che decade sia in calcio (Ca) che in argon (Ar) in un rapporto dall'88,8% di calcio all'11,2% di argon-40.

L'argon è un gas nobile, il che significa che non è reattivo e non farebbe parte della formazione iniziale di rocce o fossili. Qualsiasi argon trovato in rocce o fossili deve quindi essere il risultato di questo tipo di decadimento radioattivo.

L'emivita del potassio è di 1,25 miliardi di anni, il che rende questa tecnica utile per datare le rocce campioni che vanno da circa 100.000 anni fa (durante l'età dei primi esseri umani) a circa 4,3 miliardi anni fa. Il potassio è molto abbondante sulla Terra, il che lo rende ottimo per la datazione perché si trova in alcuni livelli nella maggior parte dei campioni. È utile per datare rocce ignee (rocce vulcaniche).

Datazione al carbonio-14 (C-14): Il carbonio-14 entra negli organismi dall'atmosfera. Quando l'organismo muore, non più del isotopo carbonio-14-14 può entrare nell'organismo e comincerà a decadere a partire da quel punto.

Il carbonio-14 decade in azoto-14 nell'emivita più breve di tutti i metodi (5.730 anni), il che lo rende perfetto per datare fossili nuovi o recenti. Viene utilizzato principalmente solo per materiali organici, cioè fossili animali e vegetali. Il carbonio-14 non può essere utilizzato per campioni di età superiore a 60.000 anni.

In un dato momento, i tessuti degli organismi viventi hanno tutti lo stesso rapporto tra carbonio-12 e carbonio-14. Quando un organismo muore, come notato, smette di incorporare nuovo carbonio nei suoi tessuti, e così il successivo decadimento del carbonio-14 in azoto-14 altera il rapporto tra carbonio-12 e carbonio-14. Confrontando il rapporto tra carbonio-12 e carbonio-14 nella materia morta con il rapporto quando quell'organismo era vivo, gli scienziati possono stimare la data della morte dell'organismo.