Radiometrinės pažintys: apibrėžimas, kaip tai veikia, naudojimas ir pavyzdžiai

Jei norite sužinoti, kiek kažkam ar kažkam metų, jūs galite paprastai pasikliauti paprasčiausių klausimų pateikimo ar „Google“ paieškos deriniu, kad gautumėte tikslų atsakymą. Tai taikoma viskam, pradedant klasės draugo amžiumi, kiek metų JAV egzistavo kaip suvereni tauta (243 ir skaičiuojant nuo 2019 m.).

Bet kaip su antikos daiktų amžiais, nuo naujai atrastos fosilijos iki pačio senovės Žemė pats?

Žinoma, galite naršyti internete ir gana greitai sužinoti, kad mokslinis sutarimas lemia planetos amžių maždaug 4,6 milijardo metų. Bet „Google“ nesugalvojo šio numerio; vietoj to žmogaus išradingumas ir taikomoji fizika tai suteikė.

Tiksliau, procesas vadinamas radiometrinė data leidžia mokslininkams nustatyti objektų amžių, įskaitant uolienų amžių, nuo tūkstančių metų iki milijardų metų iki nuostabaus tikslumo.

Tai priklauso nuo patikrintos pagrindinės matematikos ir žinių apie skirtingų cheminių elementų fizines savybes derinio.

Suprasti radiometrinės datavimo technikos

Kaip analogiją sakykite, kad jums kyla klausimas: "Ar lauke šilta (ar šalta)?" Tai, ko jūs iš tikrųjų ieškote, yra temperatūra, kuris iš esmės apibūdina, kaip greitai ore esančios molekulės juda ir susiduria viena su kita, išvertus į patogų skaičių. Šiai veiklai matuoti reikia prietaiso (termometro, kurio yra įvairių rūšių).

Jūs taip pat turite žinoti, kada galite ar negalite pritaikyti tam tikro tipo įrenginio atliekamai užduočiai; pavyzdžiui, jei norite sužinoti, kaip karšta yra aktyvios malkinės krosnies viduje, tikriausiai tai suprantate namų temperatūros matuoklio, skirto kūno temperatūrai matuoti, įdėjimas į viryklę nepasitvirtins naudinga.

Taip pat atminkite, kad daugelį amžių dauguma žmonių „žinojo“ apie uolų amžių, tokių formacijų kaip Didysis kanjonas ir kt. visa kita aplink jus buvo numatyta Biblijos Pradžios knygoje, kurioje teigiama, kad visas kosmosas yra galbūt 10 000 metų.

Šiuolaikiniai geologiniai metodai kartais pasirodė esą sunkūs, atsižvelgiant į tokias populiarias, tačiau nuostabias ir moksliškai nepalaikomas sampratas.

Radiometrinės datos naudojasi tuo, kad laikui bėgant keičiasi tam tikrų mineralų (uolienų, fosilijų ir kitų labai patvarių daiktų) sudėtis. Tiksliau, jų sudedamosios dalies santykiniai kiekiai elementai matematiškai nuspėjamu būdu, vadinasi reiškiniu, vadinamu radioaktyvusis skilimas.

Tai savo ruožtu remiasi žiniomis izotopaikai kurie iš jų yra „radioaktyvūs“ (tai yra, jie savaime skleidžia subatomines daleles žinomu greičiu).

Izotopai yra skirtingos to paties elemento versijos (pvz., anglis, uranas, kalis); jie turi tą patį skaičių protonai, todėl elemento tapatybė nesikeičia, bet skiriasi skirtingi elementų skaičiai neutronai.

• Tikėtina, kad susidursite su žmonėmis ir kitais šaltiniais, kurie radiometrinius datavimo metodus paprastai vadina „radijo anglies datavimais“ arba tiesiog „anglies pažintys“. Tai nėra tikslesnė, nei 5K, 10K ir 100 mylių bėgimo lenktynės kaip „maratonai“, ir sužinosite, kodėl šiek tiek.

Kai kurie dalykai gamtoje išnyksta daugmaž pastoviu greičiu, neatsižvelgiant į tai, nuo ko reikia pradėti ir kiek lieka. Pavyzdžiui, tam tikrus vaistus, įskaitant etilo alkoholį, organizmas metabolizuoja nustatytu gramų skaičiumi per valandą (arba bet kokiais patogiausiais vienetais). Jei kieno nors sistemoje yra penkių gėrimų ekvivalentas, organizmui prireikia penkis kartus daugiau laiko išvalyti alkoholį nei tuo atveju, jei jo sistemoje būtų vienas gėrimas.

Tačiau daugelis medžiagų, tiek biologinių, tiek cheminių, atitinka skirtingą mechanizmą: tam tikroje pusė medžiagos išnyks per nustatytą laiką, nesvarbu, kiek yra pradžios su. Teigiama, kad tokios medžiagos turi a pusė gyvenimo. Radioaktyvieji izotopai laikosi šio principo, o jų skilimo rodikliai yra labai skirtingi.

To naudingumas yra tai, kad galima lengvai apskaičiuoti, kiek tam tikro elemento buvo tuo metu, kai jis buvo sudarytas, pagal tai, kiek yra matavimo metu. Taip yra todėl, kad pirmą kartą atsiradus radioaktyviesiems elementams, manoma, kad jie susideda tik iš vieno izotopo.

Laikui bėgant įvykstant radioaktyviam skilimui, vis daugiau šio dažniausiai pasitaikančio izotopo „suyra“ (t. Y. Yra paverčiamas) į kitą izotopą ar izotopus; šie skilimo produktai yra tinkamai vadinami dukteriniai izotopai.

Įsivaizduokite, kad jums patinka tam tikros rūšies ledai, paskaninti šokolado drožlėmis. Turite klastingą, bet ne itin sumanų kambario draugą, kuris nemėgsta pačių ledų, tačiau negali atsispirti išsirenka valgydamas traškučius - ir stengdamasis išvengti aptikimo, jis kiekvieną suvartotą pakeičia a razinos.

Jis bijo tai padaryti su visais šokolado drožlėmis, todėl vietoj to kiekvieną dieną braukia pusę likusio šokolado skaičiaus traškučių ir įdeda razinas į jų vietą, niekada neužbaigdamas savo velniško jūsų deserto transformavimo, tačiau vis artėdamas ir arčiau.

Pasakykite, kad apsilanko antras draugas, žinantis apie šį susitarimą, ir pastebi, kad jūsų ledų dėžutėje yra 70 razinų ir 10 šokolado drožlių. Ji pareiškia: „Spėju, kad apsipirkote maždaug prieš tris dienas“. Iš kur ji tai žino?

Tai paprasta: Jūs turite pradėti iš viso su 80 traškučių, nes dabar turite 70 + 10 = 80 iš viso ledų priedų. Kadangi jūsų kambario draugas valgo pusę traškučių bet kurią dieną, o ne fiksuotą skaičių, dėžutėje turėjo būti 20 traškučių dieną prieš dieną, 40 dieną prieš tai ir 80 dieną prieš tai.

Radioaktyviųjų izotopų skaičiavimai yra formalesni, tačiau laikomasi to paties pagrindinio principo: Jei žinote radioaktyvaus elemento pusinės eliminacijos laiką ir galite išmatuoti, kiek kiekvieno izotopo yra, galite išsiaiškinti fosilijos, uolienos ar kito objekto, iš kurio jis gaunamas, amžių.

Sakoma, kad elementai, turintys pusinės eliminacijos periodą, paklūsta a Pirmas užsakymas irimo procesas. Jie turi vadinamąją greičio konstantą, paprastai žymimą k. Ryšys tarp pradžioje esančių atomų skaičiaus (N₀), matavimo metu esantį skaičių N praėjusį laiką t ir greičio konstantą k galima užrašyti dviem matematiškai lygiaverčiais būdais:

N = N₀e^−kt

arba

ln [N / N₀] = −kt

Be to, galbūt norėsite sužinoti veikla A mėginio, paprastai matuojamas suirimais per sekundę arba taškų taške. Tai išreiškiama tiesiog taip:

A = kt

Jums nereikia žinoti, kaip gaunamos šios lygtys, tačiau turėtumėte būti pasirengę jas naudoti, kad išspręstumėte problemas, susijusias su radioaktyviaisiais izotopais.

Mokslininkai, norintys išsiaiškinti fosilijos ar uolienos amžių, analizuoja mėginį, kad nustatytų tam tikro radioaktyvaus elemento dukterinio izotopo (arba izotopų) ir jo pirminio izotopo santykis tame pavyzdys. Matematiškai iš aukščiau pateiktų lygčių tai yra N / N₀. Iš anksto žinant elemento skilimo greitį ir jo pusinės eliminacijos periodą, apskaičiuoti jo amžių yra nesudėtinga.

Apgaulė yra žinojimas, kurio iš įvairių įprastų radioaktyviųjų izotopų ieškoti. Tai savo ruožtu priklauso nuo apytikslio numatomo objekto amžiaus, nes radioaktyvieji elementai skilinėja labai skirtingais greičiais.

Be to, ne visi objektai, kuriems bus skirta data, turės kiekvieną iš dažniausiai naudojamų elementų; elementus galite duoti pagal tam tikrą datavimo techniką, tik jei juose yra reikalingo junginio ar junginių.

Urano švino (U-Pb) pažintys: Radioaktyvusis uranas yra dviejų formų - uranas-238 ir uranas-235. Skaičius nurodo protonų ir neutronų skaičių. Urano atominis skaičius yra 92, atitinkantis jo protonų skaičių. kurie skyla į atitinkamai šviną-206 ir šviną-207.

Urano-238 pusinės eliminacijos laikas yra 4,47 milijardo metų, o urano-235 - 704 milijonai metų. Kadangi jie skiriasi beveik septynis kartus (prisiminkime, kad milijardas yra 1000 kartų milijonas), tai įrodo „patikrą“ įsitikinkite, kad tinkamai apskaičiuojate uolienos ar fosilijos amžių, todėl tai yra vienas tiksliausių radiometrinių duomenų metodai.

Ilgas pusinės eliminacijos laikas daro šią pažinčių techniką tinkančią ypač senoms medžiagoms - nuo maždaug 1 milijono iki 4,5 milijardo metų.

U-Pb pažintys yra sudėtingos dėl dviejų žaidžiamų izotopų, tačiau ši savybė taip pat ir daro ją tokią tikslią. Šis metodas taip pat yra techniškai sudėtingas, nes švinas gali „nutekėti“ iš daugelio rūšių uolienų, kartais apsunkinantis arba neįmanomas skaičiavimus.

U-Pb datavimas dažnai naudojamas magminėms (vulkaninėms) uolienoms datuoti, o tai gali būti sunku padaryti dėl fosilijų trūkumo; metamorfinės uolienos; ir labai senos uolos. Visa tai sunku suderinti su kitais čia aprašytais metodais.

Rubidžio-stroncio (Rb-Sr) pažintys:Radioaktyvus rubidium-87 suyra į stroncį-87, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 48,8 milijardo metų. Nenuostabu, kad „Ru-Sr“ pažintys yra naudojamos labai senoms uolienoms (iš tikrųjų tokios pat senos kaip Žemė, nes Žemei „tik“ apie 4,6 mlrd. Metų) datuoti.

Stroncio yra kituose stabiliuose (t. Y. Nėra linkę irti) izotopuose, įskaitant stroncį-86, -88 ir -84, stabiliais kiekiais kituose natūraliuose organizmuose, uolienose ir pan. Kadangi rubidžio-87 yra daug Žemės plutoje, stroncio-87 koncentracija yra daug didesnė nei kitų stroncio izotopų.

Tada mokslininkai gali palyginti stroncio-87 santykį su visu stabilių stroncio izotopų kiekiu, kad apskaičiuotų skilimo lygį, kuris sukelia aptiktą stroncio-87 koncentraciją.

Ši technika dažnai naudojama iki šiol magminės uolienos ir labai senos uolos.

Kalio-argono (K-Ar) pažintys: Radioaktyvusis kalio izotopas yra K-40, kuris skyla ir į kalcį (Ca), ir į argoną (Ar) santykiu 88,8 proc. Kalcio ir 11,2 proc. Argono-40.

Argonas yra tauriosios dujos, o tai reiškia, kad jis nereaguoja ir nebūtų pradinio uolienų ar fosilijų susidarymo dalis. Bet koks uolienose ar fosilijose randamas argonas turi būti tokio radioaktyvaus skilimo rezultatas.

Kalio pusinės eliminacijos laikas yra 1,25 milijardo metų, todėl ši technika yra naudinga roko pažintims mėginių maždaug nuo maždaug 100 000 metų (ankstyvų žmonių amžiuje) iki maždaug 4,3 mlrd prieš metus. Kalio yra labai gausu Žemėje, todėl jis puikiai tinka pasimatymams, nes kai kuriuose jų lygiuose yra daugumos rūšių mėginiuose. Tai gerai tinka pažintinėms uolienoms (vulkaninėms uolienoms) pažinti.

„Carbon-14“ (C-14) pažintys: Anglis-14 į organizmus patenka iš atmosferos. Kai organizmas miršta, nebėra anglies-14 izotopas gali patekti į organizmą, ir jis pradės irti nuo to momento.

Per trumpiausią visų metodų (5730 metų) pusinės eliminacijos laiką anglis-14 skyla į azoto-14, todėl ji puikiai tinka datuoti naujas ar naujausias fosilijas. Dažniausiai jis naudojamas tik organinėms medžiagoms, tai yra gyvūnų ir augalų fosilijoms. Anglies-14 negalima naudoti mėginiams, vyresniems nei 60 000 metų.

Bet kuriuo metu visų gyvųjų organizmų audiniuose yra vienodas anglies-12 ir anglies-14 santykis. Kai organizmas miršta, kaip pažymėta, jis nustoja įtraukti naują anglį į savo audinius, todėl vėlesnis anglies-14 ir azoto-14 skilimas keičia anglies-12 ir anglies-14 santykį. Palyginę anglies-12 ir anglies-14 santykį negyvose medžiagose su santykiu, kai tas organizmas buvo gyvas, mokslininkai gali įvertinti organizmo mirties datą.