Radiometriskā iepazīšanās: definīcija, kā tā darbojas, izmantošana un piemēri

Ja vēlaties uzzināt, cik vecs kāds vai kaut kas ir, jūs varat paļauties uz vienkāršu jautājumu uzdošanu vai Google meklēšanu, lai iegūtu precīzu atbildi. Tas attiecas uz visu, sākot no klasesbiedra vecuma līdz to gadu skaitam, kad Amerikas Savienotās Valstis pastāv kā suverēna valsts (243 un skaitot no 2019. gada).

Bet kā ar senatnes priekšmetu laikmetu, sākot no nesen atklātas fosilijas līdz pat vecumam Zeme pati?

Protams, jūs varat izpētīt internetu un diezgan ātri uzzināt, ka zinātniskā vienprātība nosaka planētas vecumu aptuveni 4,6 miljardi gadu. Bet Google neizgudroja šo numuru; tā vietā to ir nodrošinājusi cilvēka atjautība un lietišķā fizika.

Konkrēti, process, ko sauc radiometriskā datēšana ļauj zinātniekiem noteikt objektu vecumu, ieskaitot iežu vecumu, sākot no tūkstošiem gadu līdz miljardiem gadu līdz brīnišķīgai precizitātei.

Tas balstās uz pārbaudītu matemātikas pamatzināšanu un zināšanu par dažādu ķīmisko elementu fizikālajām īpašībām kombināciju.

Saprast radiometriskās datēšanas paņēmieni, vispirms jums ir jābūt izpratnei par to, kas tiek mērīts, kā tiek veikts mērījums un izmantotās mērījumu sistēmas teorētiskie, kā arī praktiskie ierobežojumi.

Kā analoģiju sakiet, ka jums rodas jautājums: "Cik ārā ir silts (vai auksts)?" Tas, ko jūs patiesībā šeit meklējat, ir temperatūra, kas būtībā ir apraksts par to, cik ātri gaisā esošās molekulas pārvietojas un saduras viena ar otru, pārvēršot ērtā skaitā. Šīs aktivitātes mērīšanai ir nepieciešama ierīce (termometrs, kuram ir dažādi veidi).

Jums arī jāzina, kad jūs varat vai nevarat izmantot konkrēta veida ierīci attiecīgajam uzdevumam; piemēram, ja vēlaties uzzināt, cik karsts ir aktīvās malkas krāsns iekšpusē, jūs droši vien to saprotat mājsaimniecības termometra, kas paredzēts ķermeņa temperatūras mērīšanai, ievietošana plīts iekšpusē nepierādīs noderīgi.

Jāapzinās arī tas, ka daudzu gadsimtu laikā lielākā daļa cilvēku "zina" par iežu laikmetu, tādiem veidojumiem kā Lielais kanjons un viss pārējais, kas atrodas ap jums, bija balstīts uz Bībeles 1. Mozus kontu, kurā teikts, ka viss kosmoss ir varbūt 10 000 gadus vecs.

Mūsdienu ģeoloģiskās metodes dažkārt ir izrādījušās asas, ņemot vērā tik populārus, bet savādus un zinātniski neatbalstītus priekšstatus.

Radiometriskā datēšana izmanto faktu, ka noteiktu minerālu (ieži, fosilijas un citi ļoti izturīgi priekšmeti) sastāvs laika gaitā mainās. Konkrēti, to sastāvdaļu relatīvie daudzumi elementi matemātiski paredzamā veidā, pateicoties parādībai, ko sauc radioaktīvā sabrukšana.

Tas savukārt balstās uz zināšanām par izotopi, no kuriem daži ir "radioaktīvi" (tas ir, tie spontāni izstaro subatomiskas daļiņas ar zināmu ātrumu).

Izotopi ir viena un tā paša elementa dažādas versijas (piemēram, ogleklis, urāns, kālijs); viņiem ir vienāds skaits protoni, tāpēc elementa identitāte nemainās, bet gan atšķirīgi neitroni.

• Jūs, visticamāk, sastapsieties ar cilvēkiem un citiem avotiem, kas radiometriskās datēšanas metodes parasti sauc par "radioglekļa datēšanu" vai vienkārši "oglekļa datēšana". Tas nav precīzāk nekā atsaukties uz 5K, 10K un 100 jūdžu skrējieniem kā "maratoniem", un jūs uzzināsiet, kāpēc mazliet.

Dažas lietas dabā pazūd vairāk vai mazāk nemainīgā ātrumā neatkarīgi no tā, ar ko ir jāsāk un cik daudz paliek. Piemēram, noteiktas zāles, ieskaitot etilspirtu, organisms metabolizē ar fiksētu gramu skaitu stundā (vai jebkurām ērtākajām vienībām). Ja kāda cilvēka sistēmā ir piecu dzērienu ekvivalents, ķermenim alkohola iztīrīšana prasa piecas reizes ilgāku laiku, nekā tas būtu, ja viņa sistēmā būtu viens dzēriens.

Tomēr daudzas vielas, gan bioloģiskas, gan ķīmiskas, atbilst atšķirīgam mehānismam puse vielas pazudīs noteiktā laikā neatkarīgi no tā, cik daudz ir jāsāk ar. Šādām vielām esot a Pus dzīve. Radioaktīvie izotopi ievēro šo principu, un tiem ir ārkārtīgi atšķirīgi sabrukšanas ātrumi.

Tā lietderība ir tāda, ka var viegli aprēķināt, cik daudz konkrētā elementa bija tā izveidošanas laikā, pamatojoties uz to, cik daudz ir mērīšanas laikā. Tas ir tāpēc, ka, kad radioaktīvie elementi pirmo reizi rodas, tiek pieņemts, ka tie pilnībā sastāv no viena izotopa.

Tā kā laika gaitā notiek radioaktīvā sabrukšana, arvien vairāk šī visizplatītākā izotopa "sabrūk" (t.i., tiek pārveidots) citā izotopā vai izotopos; šie sabrukšanas produkti tiek atbilstoši saukti meitas izotopi.

Iedomājieties, ka jūs baudāt noteikta veida saldējumu, kas aromatizēts ar šokolādes skaidiņām. Jums ir viltīgs, bet ne īpaši gudrs istabas biedrs, kuram nepatīk pats saldējums, bet kurš nevar pretoties izvēloties čipsu ēšanas - un, lai izvairītos no atklāšanas, viņš katru patērēto aizstāj ar rozīnes.

Viņam ir bail to darīt ar visām šokolādes skaidiņām, tāpēc katru dienu viņš velk pusi no atlikušās šokolādes skaita čipsus un liek rozīnes viņu vietā, nekad līdz galam nepabeidzot jūsu deserta velnišķīgo pārveidošanu, bet tuvojoties un tuvāk.

Sakiet, ka otrs draugs, kurš zina par šo vienošanos, apmeklē un pamanīs, ka jūsu saldējuma kastītē ir 70 rozīnes un 10 šokolādes skaidiņas. Viņa paziņo: "Es domāju, ka jūs devāties iepirkties apmēram pirms trim dienām." Kā viņa to zina?

Tas ir vienkārši: jums noteikti jāsāk ar 80 čipsiem, jo ​​jūsu saldējumam tagad ir 70 + 10 = 80 kopējās piedevas. Tā kā jūsu istabas biedrs jebkurā dienā apēd pusi no čipsiem, nevis fiksētu numuru, kartona kārbā iepriekšējā dienā bija jābūt 20 mikroshēmām, dienu pirms tam - 40 un dienu pirms tam.

Aprēķini, kas saistīti ar radioaktīvajiem izotopiem, ir formālāki, bet tiek veikti pēc tā paša pamatprincipa: Ja jūs zināt radioaktīvā elementa pussabrukšanas periodu un varat izmērīt, cik daudz katra izotopa ir, jūs varat noskaidrot fosilijas, ieža vai citas būtnes vecumu.

Tiek uzskatīts, ka elementi, kuriem ir pussabrukšanas periods, pakļaujas a pirmais pasūtījums sabrukšanas process. Viņiem ir tā saucamā ātruma konstante, ko parasti apzīmē ar k. Attiecība starp sākumā esošo atomu skaitu (N₀), skaitli, kas atrodas mērīšanas laikā N, pagājušo laiku t, un ātruma konstanti k var uzrakstīt divos matemātiski ekvivalentos veidos:

N = N₀e^−kt

vai

ln [N / N₀] = −kt

Turklāt jūs varētu vēlēties uzzināt aktivitāte A paraugs, ko parasti mēra sadalīšanās sekundē vai dps. To izsaka vienkārši šādi:

A = kt

Jums nav jāzina, kā tiek iegūti šie vienādojumi, taču jums vajadzētu būt gatavam tos izmantot, lai atrisinātu problēmas, kas saistītas ar radioaktīvajiem izotopiem.

Zinātnieki, kas vēlas uzzināt fosilijas vai iežu vecumu, analizē paraugu, lai noteiktu attiecīgā radioaktīvā elementa meitas izotopa (vai izotopu) attiecība pret vecāku izotopu tajā paraugs. Matemātiski no iepriekš minētajiem vienādojumiem tas ir N / N₀. Ar elementa sabrukšanas ātrumu un līdz ar to tā pussabrukšanas periodu, kas iepriekš zināms, tā vecuma aprēķināšana ir vienkārša.

Triks ir zināt, kurus no dažādiem parastajiem radioaktīvajiem izotopiem meklēt. Tas savukārt ir atkarīgs no aptuvenā paredzamā objekta vecuma, jo radioaktīvie elementi sadalās ļoti atšķirīgā ātrumā.

Turklāt ne visiem datējamajiem objektiem būs katrs parasti izmantotais elements; Jūs varat datēt priekšmetus ar noteiktu datēšanas tehniku ​​tikai tad, ja tajos ir nepieciešamais savienojums vai savienojumi.

Urāna-svina (U-Pb) datēšana: Radioaktīvais urāns ir divos veidos: urāns-238 un urāns-235. Skaitlis attiecas uz protonu un neitronu skaitu. Urāna atomu skaitlis ir 92, kas atbilst tā protonu skaitam. kas sadalās attiecīgi par svinu-206 un svinu-207.

Urāna-238 pussabrukšanas periods ir 4,47 miljardi gadu, savukārt urāna-235 pussabrukšanas periods ir 704 miljoni gadu. Tā kā tie atšķiras ar koeficientu gandrīz septiņi (atcerieties, ka miljards ir 1000 reižu miljons), tas pierāda "pārbaudi" pārliecinieties, ka jūs pareizi aprēķināt ieža vai fosilijas vecumu, padarot to par visprecīzāko radiometrisko datēšanu metodes.

Garais pusperiods padara šo datēšanas tehniku ​​piemērotu īpaši veciem materiāliem, sākot no aptuveni 1 miljona līdz 4,5 miljardiem gadu.

U-Pb datēšana ir sarežģīta divu spēlē esošo izotopu dēļ, taču arī šī īpašība padara to tik precīzu. Metode ir arī tehniski sarežģīta, jo svins var "noplūst" no daudzu veidu akmeņiem, dažreiz apgrūtinot vai neiespējami aprēķinus.

U-Pb datēšanu bieži izmanto, lai datētu magmatiskos (vulkāniskos) iežus, ko fosiliju trūkuma dēļ var būt grūti izdarīt; metamorfie ieži; un ļoti vecas klintis. Tas viss ir grūti datējams ar citām šeit aprakstītajām metodēm.

Rubidija-stroncija (Rb-Sr) datējums:Radioaktīvs rubīdijs-87 sadalās stroncijs-87, kura pusperiods ir 48,8 miljardi gadu. Nav pārsteidzoši, ka Ru-Sr datēšana tiek izmantota ļoti veco iežu datēšanai (tikpat veca kā Zeme, jo Zeme ir "tikai" apmēram 4,6 miljardi gadu veca).

Stroncijs pastāv citos stabilos (t.i., nav tendence uz sabrukšanu) izotopos, ieskaitot stronciju-86, -88 un -84, stabilos daudzumos citos dabiskos organismos, iežos un tā tālāk. Bet, tā kā rubīdija-87 ir daudz Zemes garozā, stroncija-87 koncentrācija ir daudz augstāka nekā pārējiem stroncija izotopiem.

Pēc tam zinātnieki var salīdzināt stroncija-87 attiecību pret kopējo stabilo stroncija izotopu daudzumu, lai aprēķinātu sabrukšanas līmeni, kas rada konstatēto stroncija-87 koncentrāciju.

Šo paņēmienu bieži izmanto līdz šim magmatiskie ieži un ļoti vecas klintis.

Kālija-argona (K-Ar) datēšana: Radioaktīvais kālija izotops ir K-40, kas sadalās gan kalcijā (Ca), gan argonā (Ar) proporcijā 88,8% kalcija līdz 11,2% argon-40.

Argons ir cēlgāze, kas nozīmē, ka tā nav reaģējoša un nebūtu daļa no sākotnējā neviena ieža vai fosilijas veidošanās. Tāpēc jebkuram klintīs vai fosilijās atrastajam argonam jābūt šāda veida radioaktīvās sabrukšanas rezultātā.

Kālija pussabrukšanas periods ir 1,25 miljardi gadu, tāpēc šī metode ir noderīga klinšu datēšanai paraugu, sākot no aptuveni pirms 100 000 gadiem (agrīna cilvēka vecumā) līdz aptuveni 4,3 miljardiem pirms gadiem. Kālijs ir ļoti bagātīgs uz Zemes, tāpēc tas ir lieliski piemērots datēšanai, jo dažos līmeņos tas atrodams lielākajā daļā paraugu. Tas ir noderīgs magmatisko iežu (vulkānisko iežu) datēšanai.

Carbon-14 (C-14) datēšana: Ogleklis-14 organismos nonāk no atmosfēras. Kad organisms nomirst, vairs nav oglekļa-14 izotops var iekļūt organismā, un tas sāks bojāties, sākot ar to.

Ogleklis-14 sadalās slāpeklī-14 visīsākajā pusperiodā no visām metodēm (5730 gadi), kas padara to perfektu jaunu vai neseno fosiliju datēšanai. To galvenokārt izmanto tikai organiskiem materiāliem, tas ir, dzīvnieku un augu fosilijām. Carbon-14 nevar izmantot paraugiem, kas vecāki par 60 000 gadiem.

Jebkurā brīdī visu dzīvo organismu audos ir vienāda oglekļa-12 un oglekļa-14 attiecība. Kad organisms nomirst, kā norādīts, tas pārtrauc jauna oglekļa iekļaušanu savos audos, un tāpēc turpmākā oglekļa-14 un slāpekļa-14 sadalīšanās maina oglekļa-12 un oglekļa-14 attiecību. Salīdzinot oglekļa-12 un oglekļa-14 attiecību mirušajā vielā ar attiecību, kad šis organisms bija dzīvs, zinātnieki var novērtēt organisma nāves datumu.