Als je wilt weten hoe oud iemand of iets is, kun je over het algemeen vertrouwen op een combinatie van gewoon vragen stellen of Googlen om tot een nauwkeurig antwoord te komen. Dit geldt voor alles, van de leeftijd van een klasgenoot tot het aantal jaren dat de Verenigde Staten als soevereine natie hebben bestaan (243 en vanaf 2019).
Maar hoe zit het met de ouderdom van voorwerpen uit de oudheid, van een nieuw ontdekt fossiel tot het tijdperk van de? Aarde zelf?
Natuurlijk kun je het internet doorzoeken en vrij snel leren dat de wetenschappelijke consensus de leeftijd van de planeet ongeveer aangeeft 4,6 miljard jaar. Maar Google heeft dit nummer niet uitgevonden; in plaats daarvan hebben menselijke vindingrijkheid en toegepaste fysica ervoor gezorgd.
In het bijzonder een proces genaamd radiometrische datering stelt wetenschappers in staat om de leeftijden van objecten te bepalen, inclusief de leeftijden van rotsen, variërend van duizenden jaren tot miljarden jaren oud, tot een verbazingwekkende mate van nauwkeurigheid.
Dit berust op een bewezen combinatie van elementaire wiskunde en kennis van de fysische eigenschappen van verschillende chemische elementen.
Radiometrische datering: hoe werkt het?
Begrijpen radiometrische dateringstechnieken, moet u eerst inzicht hebben in wat er wordt gemeten, hoe de meting wordt uitgevoerd en de theoretische en praktische beperkingen van het gebruikte meetsysteem.
Stel dat u zich afvraagt: "Hoe warm (of koud) is het buiten?" Wat je hier eigenlijk zoekt, is de temperatuur-, wat in wezen een beschrijving is van hoe snel moleculen in de lucht bewegen en met elkaar botsen, vertaald in een handig getal. Je hebt een apparaat nodig om deze activiteit te meten (een thermometer, waarvan er verschillende soorten bestaan).
U moet ook weten wanneer u een bepaald type apparaat wel of niet kunt toepassen op de uit te voeren taak; als je bijvoorbeeld wilt weten hoe warm het is aan de binnenkant van een actieve houtkachel, dan begrijp je dat waarschijnlijk een huishoudthermometer plaatsen die bedoeld is om de lichaamstemperatuur in de kachel te meten, gaat niet bewijzen nuttig.
Houd er ook rekening mee dat gedurende vele eeuwen de meeste menselijke "kennis" van de leeftijd van rotsen, formaties zoals de Grand Canyon en al het andere om je heen was gebaseerd op het Genesis-verslag van de Bijbel, dat stelt dat de hele kosmos misschien 10.000 is jaar oud.
Moderne geologische methoden zijn soms netelig gebleken in het licht van zulke populaire maar vreemde en wetenschappelijk niet-ondersteunde opvattingen.
Waarom dit hulpmiddel gebruiken?
Radiometrische datering maakt gebruik van het feit dat de samenstelling van bepaalde mineralen (gesteenten, fossielen en andere zeer duurzame voorwerpen) in de loop van de tijd verandert. Met name de relatieve hoeveelheden van hun bestanddeel elementen verschuiven op een wiskundig voorspelbare manier dankzij een fenomeen genaamd radioactief verval.
Dit is op zijn beurt afhankelijk van kennis van isotopen, waarvan sommige "radioactief" zijn (dat wil zeggen, ze zenden spontaan subatomaire deeltjes uit met een bekende snelheid).
isotopen zijn verschillende versies van hetzelfde element (bijvoorbeeld koolstof, uranium, kalium); ze hebben hetzelfde aantal protonen, daarom verandert de identiteit van het element niet, maar verschillende aantallen neutronen.
- U zult waarschijnlijk mensen en andere bronnen tegenkomen die verwijzen naar radiometrische dateringsmethoden in het algemeen als "koolstofdatering" of gewoon "koolstofdatering." Dit is niet nauwkeuriger dan te verwijzen naar 5K, 10K en 100-mijl hardloopraces als "marathons", en je zult leren waarom in een beetje.
Het concept van de halfwaardetijd
Sommige dingen in de natuur verdwijnen in een min of meer constant tempo, ongeacht hoeveel er is om mee te beginnen en hoeveel er overblijft. Bepaalde medicijnen, waaronder ethylalcohol, worden bijvoorbeeld door het lichaam gemetaboliseerd met een vast aantal gram per uur (of welke eenheid dan ook die het handigst is). Als iemand het equivalent van vijf drankjes in zijn systeem heeft, doet het lichaam er vijf keer zo lang over om de alcohol te verwijderen als wanneer hij één drankje in zijn systeem zou hebben.
Veel stoffen, zowel biologisch als chemisch, voldoen echter aan een ander mechanisme: tijdsperiode, de helft van de stof zal binnen een vaste tijd verdwijnen, ongeacht hoeveel er aanwezig is om te starten met. Van dergelijke stoffen wordt gezegd dat ze een halveringstijd. Radioactieve isotopen gehoorzamen aan dit principe en ze hebben enorm verschillende vervalsnelheden.
Het nut hiervan ligt in het gemakkelijk kunnen berekenen hoeveel van een bepaald element aanwezig was op het moment dat het werd gevormd op basis van hoeveel er aanwezig was op het moment van meting. Dit komt omdat wanneer radioactieve elementen voor het eerst ontstaan, wordt aangenomen dat ze volledig uit een enkele isotoop bestaan.
Aangezien radioactief verval in de loop van de tijd optreedt, "vervalt" meer en meer van deze meest voorkomende isotoop (d.w.z. wordt omgezet) in een andere isotoop of isotopen; deze vervalproducten worden toepasselijk genoemd dochter isotopen.
Een ijsdefinitie van halfwaardetijd
Stel je voor dat je geniet van een bepaald soort ijs op smaak gebracht met chocoladeschilfers. Je hebt een stiekeme, maar niet bijzonder slimme, huisgenoot die het ijs zelf niet lekker vindt, maar die het niet kan laten het uitzoeken van het eten van de chips - en in een poging om detectie te voorkomen, vervangt hij elke die hij consumeert door een rozijn.
Hij is bang om dit te doen met alle chocoladeschilfers, dus in plaats daarvan veegt hij elke dag de helft van het aantal resterende chocolade chips en zet rozijnen op hun plaats, nooit helemaal zijn duivelse transformatie van je dessert voltooien, maar dichterbij komen en dichterbij.
Stel dat een tweede vriend die van deze regeling op de hoogte is, langskomt en merkt dat uw pak ijs 70 rozijnen en 10 chocoladeschilfers bevat. Ze verklaart: "Ik denk dat je ongeveer drie dagen geleden bent gaan winkelen." Hoe weet ze dit?
Het is simpel: je moet met in totaal 80 chips zijn begonnen, want je hebt nu 70 + 10 = 80 totale toevoegingen aan je ijs. Omdat je kamergenoot op een bepaalde dag de helft van de chips eet, en niet een vast aantal, moet de doos de dag ervoor 20 chips bevatten, de dag ervoor 40 en de dag ervoor 80.
Berekeningen met radioactieve isotopen zijn formeler, maar volgen hetzelfde basisprincipe: Als je de halfwaardetijd van het radioactieve element kent en kunt meten hoeveel van elke isotoop aanwezig is, kun je de ouderdom achterhalen van het fossiel, het gesteente of een andere entiteit waarvan het afkomstig is.
Belangrijkste vergelijkingen in radiometrische datering
Van elementen met een halfwaardetijd wordt gezegd dat ze gehoorzamen aan een eerste bestelling verval proces. Ze hebben een zogenaamde snelheidsconstante, meestal aangeduid met k. De relatie tussen het aantal atomen dat aan het begin aanwezig is (N0), het getal dat aanwezig was op het moment van meting N, de verstreken tijd t en de snelheidsconstante k kunnen op twee wiskundig equivalente manieren worden geschreven:
Daarnaast wilt u misschien weten wat de activiteit A van een monster, meestal gemeten in desintegraties per seconde of dps. Dit wordt eenvoudig uitgedrukt als:
A = kt
U hoeft niet te weten hoe deze vergelijkingen worden afgeleid, maar u moet bereid zijn ze te gebruiken om problemen met radioactieve isotopen op te lossen.
Gebruik van radiometrische datering
Wetenschappers die geïnteresseerd zijn in het achterhalen van de leeftijd van een fossiel of gesteente, analyseren een monster om de verhouding van de dochterisotoop (of isotopen) van een bepaald radioactief element tot zijn ouderisotoop in die zin monster. Wiskundig gezien is dit uit de bovenstaande vergelijkingen N/N0. Met de vervalsnelheid van het element, en dus de halfwaardetijd, die van tevoren bekend is, is het berekenen van de leeftijd eenvoudig.
De truc is om te weten naar welke van de verschillende veelvoorkomende radioactieve isotopen je moet zoeken. Dit hangt op zijn beurt af van de geschatte verwachte leeftijd van het object, omdat radioactieve elementen met enorm verschillende snelheden vervallen.
Ook zullen niet alle te dateren objecten elk van de algemeen gebruikte elementen hebben; je kunt alleen items dateren met een bepaalde dateringstechniek als ze de benodigde verbinding of verbindingen bevatten.
Voorbeelden van radiometrische datering
Uranium-lood (U-Pb) datering: Radioactief uranium komt in twee vormen voor, uranium-238 en uranium-235. Het getal verwijst naar het aantal protonen plus neutronen. Het atoomnummer van uranium is 92, wat overeenkomt met het aantal protonen. die vervallen in respectievelijk lood-206 en lood-207.
De halfwaardetijd van uranium-238 is 4,47 miljard jaar, terwijl die van uranium-235 704 miljoen jaar is. Omdat deze met een factor van bijna zeven verschillen (denk eraan dat een miljard 1.000 keer een miljoen is), bewijst het een "check" om zorg ervoor dat je de ouderdom van het gesteente of fossiel goed berekent, waardoor dit een van de meest nauwkeurige radiometrische datering is methoden.
De lange halfwaardetijden maken deze dateringstechniek geschikt voor bijzonder oude materialen, van ongeveer 1 miljoen tot 4,5 miljard jaar oud.
U-Pb-datering is complex vanwege de twee isotopen die in het spel zijn, maar deze eigenschap maakt het ook zo nauwkeurig. De methode is ook technisch uitdagend omdat lood uit vele soorten gesteenten kan "lekken", waardoor de berekeningen soms moeilijk of onmogelijk worden.
U-Pb-datering wordt vaak gebruikt om stollingsgesteenten (vulkanisch) te dateren, wat moeilijk kan zijn vanwege het gebrek aan fossielen; metamorfe gesteenten; en zeer oude rotsen. Al deze zijn moeilijk te dateren met de andere methoden die hier worden beschreven.
Rubidium-strontium (Rb-Sr) datering:radioactief rubidium-87 vervalt tot strontium-87 met een halfwaardetijd van 48,8 miljard jaar. Het is niet verrassend dat Ru-Sr-datering wordt gebruikt om zeer oude rotsen te dateren (in feite zo oud als de aarde, aangezien de aarde "slechts" ongeveer 4,6 miljard jaar oud is).
Strontium komt voor in andere stabiele (d.w.z. niet vatbaar voor verval) isotopen, waaronder strontium-86, -88 en -84, in stabiele hoeveelheden in andere natuurlijke organismen, gesteenten enzovoort. Maar omdat rubidium-87 overvloedig aanwezig is in de aardkorst, is de concentratie strontium-87 veel hoger dan die van de andere isotopen van strontium.
Wetenschappers kunnen dan de verhouding tussen strontium-87 en de totale hoeveelheid stabiele strontiumisotopen vergelijken om het vervalniveau te berekenen dat de gedetecteerde concentratie strontium-87 produceert.
Deze techniek wordt tot op heden vaak gebruikt stollingsgesteenten en zeer oude rotsen.
Kalium-argon (K-Ar) datering: De radioactieve kaliumisotoop is K-40, die vervalt in zowel calcium (Ca) als argon (Ar) in een verhouding van 88,8 procent calcium tot 11,2 procent argon-40.
Argon is een edelgas, wat betekent dat het niet-reactief is en geen deel uitmaakt van de initiële vorming van gesteenten of fossielen. Elk argon dat in gesteente of fossielen wordt gevonden, moet daarom het resultaat zijn van dit soort radioactief verval.
De halfwaardetijd van kalium is 1,25 miljard jaar, waardoor deze techniek nuttig is voor het dateren van gesteente monsters variërend van ongeveer 100.000 jaar geleden (tijdens de leeftijd van de vroege mens) tot ongeveer 4,3 miljard jaren geleden. Kalium is zeer overvloedig in de aarde, waardoor het geweldig is voor dating omdat het in sommige niveaus in de meeste soorten monsters wordt aangetroffen. Het is goed voor het dateren van stollingsgesteenten (vulkanisch gesteente).
Koolstof-14 (C-14) datering: Koolstof-14 komt vanuit de atmosfeer in organismen. Wanneer het organisme sterft, niet meer van de koolstof-14 isotoop het organisme kan binnendringen, en vanaf dat punt begint het te rotten.
Koolstof-14 vervalt in stikstof-14 in de kortste halfwaardetijd van alle methoden (5730 jaar), wat het perfect maakt voor het dateren van nieuwe of recente fossielen. Het wordt meestal alleen gebruikt voor organische materialen, dat wil zeggen fossielen van dieren en planten. Carbon-14 kan niet worden gebruikt voor monsters ouder dan 60.000 jaar oud.
Op elk willekeurig moment hebben de weefsels van levende organismen allemaal dezelfde verhouding van koolstof-12 tot koolstof-14. Wanneer een organisme sterft, zoals opgemerkt, stopt het met het opnemen van nieuwe koolstof in zijn weefsels, en dus verandert het daaropvolgende verval van koolstof-14 tot stikstof-14 de verhouding van koolstof-12 tot koolstof-14. Door de verhouding van koolstof-12 tot koolstof-14 in dode materie te vergelijken met de verhouding toen dat organisme nog leefde, kunnen wetenschappers de datum van overlijden van het organisme schatten.