היכרויות רדיומטריות: הגדרה, איך זה עובד, שימושים ודוגמאות

אם אתה רוצה לדעת בן כמה מישהו או משהו, אתה יכול בדרך כלל להסתמך על שילוב כלשהו של פשוט שאלות או גוגל כדי להגיע לתשובה מדויקת. זה חל על כל דבר, החל מגיל חבר לכיתה ועד למספר השנים שקיימה ארצות הברית כאומה ריבונית (243 ונחשבת נכון לשנת 2019).

אבל מה לגבי הגילאים של חפצי העת העתיקה, מאובן שזה עתה התגלה ועד לגילאי העידן כדור הארץ את עצמה?

בטח, אתה יכול לסרוק באינטרנט וללמוד די מהר שהקונצנזוס המדעי מצמיד את עידן כדור הארץ בערך 4.6 מיליארד שנים. אבל גוגל לא המציאה את המספר הזה; במקום זאת, כושר ההמצאה האנושי והפיזיקה היישומית סיפקו זאת.

באופן ספציפי, תהליך שנקרא היכרויות רדיומטריות מאפשר למדענים לקבוע את גילאי האובייקטים, כולל גילאי הסלעים, החל מגיל אלפי שנים ועד מיליארדי שנים עד לדיוק מופלא.

זה מסתמך על שילוב מוכח של מתמטיקה בסיסית וידע על התכונות הפיזיקליות של יסודות כימיים שונים.

להבין טכניקות היכרויות רדיומטריותראשית עליך להבין מה נמדד, כיצד מבוצעת המדידה והמגבלות התיאורטיות כמו גם המעשיות של מערכת המדידה בה משתמשים.

כאנלוגיה, אמור שאתה מוצא את עצמך תוהה: "כמה חם (או קר) זה בחוץ?" מה שאתה בעצם מחפש כאן זה

עליך גם לדעת מתי אתה יכול או לא יכול להחיל סוג מסוים של מכשיר על המשימה העומדת על הפרק; לדוגמא, אם אתה רוצה לדעת כמה חם בפנים תנור עץ פעיל, אתה כנראה מבין את זה לשים מדחום ביתי שנועד למדוד את טמפרטורת הגוף בתוך הכיריים לא יוכיח מוֹעִיל.

שים לב גם כי במשך מאות רבות, רוב "הידע" האנושי של עידן הסלעים, תצורות כגון הגרנד קניון, ו כל השאר מסביבך התבסס על חשבון בראשית המקרא, שמניח שהקוסמוס כולו הוא אולי 10,000 שנים.

שיטות גיאולוגיות מודרניות הוכיחו לעיתים קוצניות לנוכח תפיסות כה פופולריות אך מוזרות ומדעיות.

תיארוך רדיומטרי מנצל את העובדה שהרכבם של מינרלים מסוימים (סלעים, מאובנים וחפצים עמידים במיוחד) משתנה לאורך זמן. באופן ספציפי, הכמויות היחסיות של המרכיב שלהם אלמנטים תזוזה באופן צפוי מתמטי בזכות תופעה שנקראת ריקבון רדיואקטיבי.

זה בתורו נשען על ידיעה על איזוטופים, חלקם "רדיואקטיביים" (כלומר הם פולטים באופן ספונטני חלקיקים תת-אטומיים בקצב ידוע).

איזוטופים הן גרסאות שונות של אותו יסוד (למשל, פחמן, אורניום, אשלגן); יש להם אותו מספר של פרוטונים, ולכן זהות האלמנט אינה משתנה, אלא מספרים שונים של נויטרונים.

• סביר להניח שתיתקל באנשים ובמקורות אחרים המתייחסים לשיטות היכרויות רדיומטריות באופן כללי "היכרויות פחמן רדיו" או סתם "תארוך פחמן." זה לא מדויק יותר מאשר להתייחס למירוצי ריצה של 5K, 10K ו -100 קילומטר כ"מרתונים ", ותלמד מדוע קצת.

יש דברים בטבע שנעלמים בקצב קבוע פחות או יותר, ללא קשר לכמה יש להתחיל וכמה שנותר. לדוגמא, תרופות מסוימות, כולל אלכוהול אתילי, עוברות חילוף חומרים בגוף במספר קבוע של גרם לשעה (או מה היחידות הנוחות ביותר). אם למישהו יש שווה ערך לחמישה משקאות במערכת שלו, לגוף לוקח זמן רב פי חמישה לנקות את האלכוהול מאשר אם היה שותה משקה אחד במערכת שלו.

עם זאת, חומרים רבים, ביולוגיים וכימיים כאחד, תואמים מנגנון אחר: בנתון בפרק זמן, מחצית מהחומר ייעלם בזמן קבוע ולא משנה כמה קיים להתחיל עם. אומרים שיש חומרים כאלה חצי חיים. איזוטופים רדיואקטיביים מצייתים לעיקרון זה, ויש להם שיעורי ריקבון שונים בתכלית.

התועלת בזה טמונה ביכולת לחשב בקלות כמה אלמנט נתון היה קיים בזמן היווצרותו על סמך כמה קיים בזמן המדידה. הסיבה לכך היא שכאשר יסודות רדיואקטיביים נוצרים לראשונה, הם אמורים להיות מורכבים לחלוטין מאיזוטופ יחיד.

כאשר ריקבון רדיואקטיבי מתרחש עם הזמן, יותר ויותר מהאיזוטופ הנפוץ ביותר הזה "מתפורר" (כלומר, מומר) לאיזוטופ או איזוטופים אחרים; מוצרי ריקבון אלה נקראים כראוי איזוטופים של בת.

דמיין שאתה נהנה מגלידה מסוג מסוים בטעם שוקולד צ'יפס. יש לך שותף לדירה ערמומי, אך לא חכם במיוחד, שלא אוהב את הגלידה עצמה, אך לא יכול להתאפק בוחר לאכול את הצ'יפס - ובמאמץ להימנע מגילוי, הוא מחליף את כל אחד מהם שהוא צורך צימוק.

הוא מפחד לעשות את זה עם כל שבבי השוקולד, ולכן במקום כל יום הוא מחליק מחצית ממספר השוקולד שנותר צ'יפס ושם צימוקים במקומם, אף פעם לא ממש השלים את הטרנספורמציה השטנית שלו לקינוח שלך, אלא מתקרב יותר ויותר יותר קרוב.

אמור שחבר שני שמודע לסידור זה מבקר ומבחין כי קרטון הגלידה שלך מכיל 70 צימוקים ו -10 שבבי שוקולד. היא מצהירה, "אני מניחה שיצאת לקניות לפני כשלושה ימים." איך היא יודעת את זה?

זה פשוט: אתה בטח התחיל בסך הכל 80 צ'יפס, כי עכשיו יש לך 70 + 10 = 80 סה"כ תוספים לגלידה שלך. מכיוון שהשותף לחדר שלך אוכל מחצית מהצ'יפס בכל יום נתון, ולא מספר קבוע, הקרטון חייב להחזיק 20 צ'יפס יום קודם, 40 יום לפני כן, ו 80 יום לפני כן.

חישובים הכוללים איזוטופים רדיואקטיביים הם רשמיים יותר אך עוקבים אחר אותו עיקרון בסיסי: אם אתה מכיר את מחצית החיים של היסוד הרדיואקטיבי ויכול למדוד כמה מכל איזוטופ קיים, תוכל להבין את גיל המאובן, הסלע או ישות אחרת שממנה הם מגיעים.

אומרים כי אלמנטים שיש להם מחצית חיים מצייתים ל הזמנה ראשונה תהליך ריקבון. יש להם מה שמכונה קבוע קצב, המסומן בדרך כלל על ידי k. הקשר בין מספר האטומים שנמצא בהתחלה (N₀), המספר הקיים בזמן המדידה N את הזמן שחלף t, ואת קבוע הקצב k ניתן לכתוב בשתי דרכים שוות ערך מתמטית:

N = N₀ה^−kt

אוֹ

ln [N / N₀] = −kt

בנוסף, ייתכן שתרצה לדעת את פעילות A של מדגם, הנמדד בדרך כלל בהתפרקות לשנייה או dps. זה מתבטא בפשטות כ:

A = kt

אינך צריך לדעת כיצד נגזרות משוואות אלה, אך עליך להיות מוכן להשתמש בהן כדי לפתור בעיות הקשורות לאיזוטופים רדיואקטיביים.

מדענים המעוניינים להבין את גיל מאובן או סלע מנתחים מדגם כדי לקבוע את היחס בין איזוטופ הבת של יסוד רדיואקטיבי מסוים (או איזוטופים) לאיזוטופ האב שלו בכך לִטעוֹם. מבחינה מתמטית, מהמשוואות לעיל זהו N / N₀. עם קצב הדעיכה של האלמנט, ומכאן שמחצית החיים שלו, הידועה מראש, חישוב גילו הוא פשוט.

הטריק הוא לדעת אילו מהאיזוטופים הרדיואקטיביים הנפוצים השונים לחפש. זה בתורו תלוי בגיל הצפוי המשוער של האובייקט מכיוון שאלמנטים רדיואקטיביים מתפוררים בקצב שונה מאוד.

כמו כן, לא בכל האובייקטים שיתוארכו יהיה כל אחד מהאלמנטים הנפוצים; אתה יכול לתארך פריטים רק בטכניקת היכרויות נתונה אם הם כוללים את התרכובת או התרכובות הדרושים.

היכרויות עופרת אורניום (U-Pb): אורניום רדיואקטיבי מגיע בשתי צורות, אורניום -238 ואורניום -235. המספר מתייחס למספר הפרוטונים בתוספת נויטרונים. מספר האטום של אורניום הוא 92, המקביל למספר הפרוטונים שלו. שמתפרקים לעופרת 206 ולהוביל 207 בהתאמה.

מחצית החיים של אורניום -238 היא 4.47 מיליארד שנים, ואילו אורניום -235 היא 704 מיליון שנה. מכיוון שאלה נבדלים בפקטור של כמעט שבעה (כזכור שמיליארד זה 1,000 פעמים במיליון), זה מוכיח "צ'ק" ל וודא שאתה מחשב את גיל הסלע או המאובן כראוי, והפוך את זה לתארוך הרדיומטרי המדויק ביותר שיטות.

מחצית החיים הארוכה הופכת את טכניקת התיארוך הזו למתאימה לחומרים ישנים במיוחד, מגיל מיליון עד 4.5 מיליארד שנה.

תיארוך U-Pb מורכב בגלל שני האיזוטופים במשחק, אך מאפיין זה הוא זה שמדייק אותו כל כך. השיטה גם מאתגרת מבחינה טכנית מכיוון שעופרת יכולה "לדלוף" מתוך סוגים רבים של סלעים, ולעתים מקשה או בלתי אפשרית את החישובים.

תיארוך U-Pb משמש לעיתים קרובות לתארוך סלעים (וולקניים), אשר קשה לעשות זאת בגלל היעדר מאובנים; סלעים מטמורפיים; וסלעים ישנים מאוד. כל אלה קשה לתארך בשיטות האחרות המתוארות כאן.

היכרויות רובידיום-סטרונציום (Rb-Sr):רַדִיוֹאַקטִיבִי רובידיום -87 מתפורר לסטרונציום -87 עם אורך חיים של 48.8 מיליארד שנים. באופן לא מפתיע, היכרויות Ru-Sr משמשות לתארוך סלעים ישנים מאוד (ישנים כמו כדור הארץ, למעשה מכיוון שכדור הארץ "רק" בן 4.6 מיליארד שנה).

סטרונציום קיים באיזוטופים יציבים אחרים (כלומר, אינם מועדים לריקבון), כולל סטרונציום -86, -88 ו -84, בכמויות יציבות באורגניזמים טבעיים אחרים, סלעים וכן הלאה. אך מכיוון שרובידיום -87 נמצא בשפע בקרום כדור הארץ, הריכוז של סטרונציום -87 גבוה בהרבה מזה של האיזוטופים האחרים של סטרונציום.

לאחר מכן מדענים יכולים להשוות את היחס בין סטרונציום -87 לכמות הכוללת של איזוטופי סטרונציום יציבים כדי לחשב את רמת הריקבון המייצרת את הריכוז שזוהה של סטרונציום -87.

טכניקה זו משמשת לעתים קרובות עד היום סלעים דמיוניים וסלעים ישנים מאוד.

אשלגן-ארגון (K-Ar) היכרויות: איזוטופ האשלגן הרדיואקטיבי הוא K-40, שמתפרק גם לסידן (Ca) וגם לארגון (Ar) ביחס של 88.8% סידן ל- 11.2% ארגון -40.

ארגון הוא גז אצילי, מה שאומר שהוא לא מגיב ולא יהיה חלק מהיווצרות הראשונית של סלעים או מאובנים כלשהם. לכן כל ארגון שנמצא בסלעים או מאובנים צריך להיות תוצאה של ריקבון רדיואקטיבי מסוג זה.

מחצית החיים של אשלגן היא 1.25 מיליארד שנה, מה שהופך את הטכניקה הזו ליעילה לתארוך רוק דוגמאות שנעו לפני כ100,000 שנה (בגיל של בני אדם מוקדמים) לכ -4.3 מיליארד לפני שנים. אשלגן נמצא בשפע מאוד בכדור הארץ, מה שהופך אותו נהדר לתארוך מכיוון שהוא נמצא ברמות מסוימות ברוב סוגי הדגימות. זה טוב לתארוך סלעים דומים (סלעים וולקניים).

פחמן 14 (C-14) היכרויות: פחמן 14 נכנס לאורגניזמים מהאטמוספירה. כאשר האורגניזם מת, לא יותר מה איזוטופ פחמן 14 יכול להיכנס לאורגניזם, והוא יתחיל להתפורר החל מאותה נקודה.

פחמן 14 מתפרק לחנקן 14 במחצית החיים הקצרה ביותר של כל השיטות (5,730 שנים), מה שהופך אותו למושלם לתארוך מאובנים חדשים או אחרונים. זה משמש בעיקר רק לחומרים אורגניים, כלומר מאובנים מן החי והצומח. לא ניתן להשתמש בפחמן 14 לדגימות מעל גיל 60,000 שנה.

בכל זמן נתון, לרקמות של אורגניזמים חיים יש את אותו היחס בין פחמן -12 לפחמן -14. כאשר אורגניזם מת, כאמור, הוא מפסיק לשלב פחמן חדש ברקמותיו, ולכן הריקבון הבא של פחמן -14 לחנקן -14 משנה את היחס בין פחמן -12 לפחמן -14. על ידי השוואת היחס בין פחמן 12 לפחמן 14 בחומר מת לבין היחס שבו אותו אורגניזם היה חי, מדענים יכולים לאמוד את תאריך מותו של האורגניזם.