Radiometrisk datering: definisjon, hvordan fungerer det, bruksområder og eksempler

Hvis du vil vite hvor gammel noen eller noe er, kan du generelt stole på en kombinasjon av å stille spørsmål eller Googling for å komme til et nøyaktig svar. Dette gjelder alt fra en klassekamerats alder til antall år USA har eksistert som en suveren nasjon (243 og regner fra og med 2019).

Men hva med tidene til antikkens gjenstander, fra en nylig oppdaget fossil til alderen til Jord seg selv?

Visst, du kan gjennomsøke Internett og lære ganske raskt at den vitenskapelige konsensusen fester jordens alder omtrent 4,6 milliarder år. Men Google oppfant ikke dette tallet; i stedet har menneskelig oppfinnsomhet og anvendt fysikk gitt det.

Spesielt en prosess som heter radiometrisk dating tillater forskere å bestemme alderen på objekter, inkludert alderen på bergarter, alt fra tusenvis av år til milliarder år gamle til en fantastisk grad av nøyaktighet.

Dette er avhengig av en påvist kombinasjon av grunnleggende matematikk og kunnskap om de fysiske egenskapene til forskjellige kjemiske elementer.

Å forstå radiometriske dating teknikker, må du først ha en forståelse av hva som måles, hvordan målingen gjøres og de teoretiske så vel som praktiske begrensningene for målesystemet som brukes.

Som en analogi, si at du lurer på: "Hvor varmt (eller kaldt) er det ute?" Det du faktisk leter etter her er temperatur, som i utgangspunktet er en beskrivelse av hvor raskt molekyler i luften beveger seg og kolliderer med hverandre, oversatt til et praktisk tall. Du trenger en enhet for å måle denne aktiviteten (et termometer, som det finnes forskjellige typer).

Du må også vite når du kan eller ikke kan bruke en bestemt type enhet til oppgaven. for eksempel, hvis du vil vite hvor varmt det er på innsiden av en aktiv vedovn, forstår du sannsynligvis det å sette et husholdningstermometer beregnet på å måle kroppstemperaturen inne i ovnen kommer ikke til å bevise hjelpsom.

Vær også oppmerksom på at de fleste menneskelige "kunnskaper" om bergarter, formasjoner som Grand Canyon, og i mange århundrer alt annet rundt deg var basert på Genesis-beretningen om Bibelen, som antyder at hele kosmos kanskje er 10.000 år gammel.

Moderne geologiske metoder har til tider vist seg tornete i møte med slike populære, men sjarmerende og vitenskapelig ikke-støttede forestillinger.

Radiometrisk datering utnytter det faktum at sammensetningen av visse mineraler (bergarter, fossiler og andre svært holdbare gjenstander) endres over tid. Spesielt de relative mengdene av deres bestanddel elementer skifte på en matematisk forutsigbar måte takket være et fenomen som kalles radioaktivt forfall.

Dette er igjen avhengig av kunnskap om isotoperhvorav noen er "radioaktive" (det vil si at de spontant avgir subatomære partikler med kjent hastighet).

Isotoper er forskjellige versjoner av det samme elementet (f.eks. karbon, uran, kalium); de har samme antall protoner, som er grunnen til at elementets identitet ikke endres, men forskjellige antall nøytroner.

• Det er sannsynlig at du møter mennesker og andre kilder som refererer til radiometriske dateringsmetoder generelt som "radiocarbon dating" eller bare "karbondating." Dette er ikke mer nøyaktig enn å referere til 5K, 10K og 100 mil løp som "maraton", og du vil lære hvorfor i en bit.

Noen ting i naturen forsvinner mer eller mindre konstant, uavhengig av hvor mye det er å begynne med og hvor mye som gjenstår. For eksempel metaboliseres visse stoffer, inkludert etylalkohol, av kroppen med et fast antall gram per time (eller hvilke enheter som er mest praktiske). Hvis noen har tilsvarende fem drinker i systemet hans, tar kroppen fem ganger så lang tid å rense alkoholen som om han hadde en drink i systemet.

Mange stoffer, men både biologiske og kjemiske, samsvarer med en annen mekanisme: I en gitt tidsperiode vil halvparten av stoffet forsvinne på en fast tid uansett hvor mye som er til stede for å starte med. Slike stoffer sies å ha en halvt liv. Radioaktive isotoper følger dette prinsippet, og de har veldig forskjellige forfallshastigheter.

Nytten av dette ligger i å kunne beregne med letthet hvor mye av et gitt element som var til stede på det tidspunktet det ble dannet, basert på hvor mye som er til stede på måletidspunktet. Dette er fordi når radioaktive elementer først blir til, antas de å bestå helt av en enkelt isotop.

Etter hvert som radioaktivt forfall oppstår over tid, "forfaller" mer og mer av denne vanligste isotopen (dvs. blir omdannet) til en annen isotop eller isotoper; disse forfallsproduktene kalles passende datter isotoper.

Tenk deg at du liker en bestemt type iskrem med sjokoladeflis. Du har en luskende, men ikke spesielt smart, romkamerat som ikke liker iskremen, men ikke kan motstå plukker ut å spise sjetongene - og i et forsøk på å unngå oppdagelse, erstatter han hver han spiser med en rosin.

Han er redd for å gjøre dette med alle sjokoladeflisene, så i stedet sveiper han halvparten av antall gjenværende sjokolade fliser og setter rosiner på plass, og fullfører aldri den djevelsk forvandlingen av desserten din, men kommer nærmere og tettere.

Si en andre venn som er klar over dette arrangementet, og legger merke til at kartongen med is inneholder 70 rosiner og 10 sjokoladeflis. Hun erklærer: "Jeg antar at du handlet for omtrent tre dager siden." Hvordan vet hun dette?

Det er enkelt: Du må ha startet med totalt 80 sjetonger, for du har nå 70 + 10 = 80 tilsetningsstoffer totalt til isen din. Fordi samboeren din spiser halvparten av sjetongene på en gitt dag, og ikke et fast nummer, må kartongen ha holdt 20 sjetonger dagen før, 40 dagen før den og 80 dagen før den.

Beregninger som involverer radioaktive isotoper er mer formelle, men følger det samme grunnleggende prinsippet: Hvis du kjenner halveringstiden til det radioaktive elementet og kan måle hvor mye av hver isotop som er til stede, kan du finne ut alderen til fossilen, bergarten eller andre enheter den kommer fra.

Elementer som har halveringstider sies å adlyde en første orden forfallsprosess. De har det som er kjent som en hastighetskonstant, vanligvis betegnet med k. Forholdet mellom antall atomer som er til stede i starten (N₀), tallet som er tilstede på måletidspunktet N den forløpte tiden t, og hastighetskonstanten k kan skrives på to matematisk ekvivalente måter:

N = N₀e^−kt

eller

ln [N / N₀] = −kt

I tillegg kan det være lurt å vite aktivitet A av en prøve, vanligvis målt i oppløsninger per sekund eller dps. Dette uttrykkes ganske enkelt som:

A = kt

Du trenger ikke å vite hvordan disse ligningene er avledet, men du bør være forberedt på å bruke dem, så løse problemer som involverer radioaktive isotoper.

Forskere som er interessert i å finne ut alderen på en fossil eller stein, analyserer en prøve for å bestemme forholdet mellom et gitt radioaktivt element datterisotop (eller isotoper) og dets overordnede isotop i den prøve. Matematisk, fra ovenstående ligninger, er dette N / N₀. Med elementets forfallshastighet, og dermed halveringstiden, kjent på forhånd, er det enkelt å beregne alder.

Trikset er å vite hvilke av de forskjellige vanlige radioaktive isotoper å se etter. Dette avhenger igjen av den omtrentlige forventede alderen på objektet fordi radioaktive elementer forfaller i enormt forskjellige hastigheter.

Dessuten vil ikke alle gjenstander som skal dateres ha hvert av elementene som ofte brukes; du kan bare datere varer med en gitt dateringsteknikk hvis de inkluderer den nødvendige forbindelsen eller forbindelsene.

Uranium-bly (U-Pb) dating: Radioaktivt uran kommer i to former, uran-238 og uran-235. Tallet refererer til antall protoner pluss nøytroner. Uraniums atomnummer er 92, tilsvarende antall protoner. som forfaller til henholdsvis bly-206 og bly-207.

Halveringstiden til uran-238 er 4,47 milliarder år, mens den til uran-235 er 704 millioner år. Fordi disse avviker med en faktor på nesten syv (husk at en milliard er 1000 ganger en million), viser det seg en "sjekk" til sørg for at du beregner alderen på steinen eller fossilen riktig, og gjør dette til den mest presise radiometriske dateringen metoder.

De lange halveringstidene gjør denne dateringsteknikken egnet for spesielt gamle materialer, fra omtrent 1 million til 4,5 milliarder år gamle.

U-Pb-datering er kompleks på grunn av de to isotopene som spilles, men denne egenskapen er også det som gjør den så presis. Metoden er også teknisk utfordrende fordi bly kan "lekke" ut av mange bergarter, noen ganger gjør beregningene vanskelige eller umulige.

U-Pb-datering brukes ofte til å datere vulkanske (vulkanske) bergarter, noe som kan være vanskelig å gjøre på grunn av mangel på fossiler; metamorfe bergarter; og veldig gamle steiner. Alle disse er vanskelig å date med de andre metodene som er beskrevet her.

Rubidium-strontium (Rb-Sr) dateres:Radioaktivt rubidium-87 forfaller til strontium-87 med en halveringstid på 48,8 milliarder år. Ikke overraskende brukes Ru-Sr-datering til å datere veldig gamle bergarter (like gamle som jorden, faktisk siden jorden er "bare" rundt 4,6 milliarder år gammel).

Strontium eksisterer i andre stabile (dvs. ikke utsatt for forfall) isotoper, inkludert strontium-86, -88 og -84, i stabile mengder i andre naturlige organismer, bergarter og så videre. Men fordi rubidium-87 er rikelig i jordskorpen, er konsentrasjonen av strontium-87 mye høyere enn for de andre isotoper av strontium.

Forskere kan deretter sammenligne forholdet mellom strontium-87 og den totale mengden stabile strontium-isotoper for å beregne forfallnivået som produserer den oppdagede konsentrasjonen av strontium-87.

Denne teknikken brukes ofte til dags dato magmatiske bergarter og veldig gamle steiner.

Kalium-argon (K-Ar) dateres: Den radioaktive kaliumisotopen er K-40, som forfaller til både kalsium (Ca) og argon (Ar) i et forhold på 88,8 prosent kalsium til 11,2 prosent argon-40.

Argon er en edelgass, noe som betyr at den ikke er reaktiv og ikke vil være en del av den opprinnelige dannelsen av bergarter eller fossiler. Enhver argon som finnes i steiner eller fossiler må derfor være et resultat av denne typen radioaktivt forfall.

Halveringstiden for kalium er 1,25 milliarder år, noe som gjør denne teknikken nyttig for datering av stein prøver fra omtrent 100 000 år siden (i en alder av tidlige mennesker) til rundt 4,3 milliarder År siden. Kalium er veldig rikelig på jorden, noe som gjør det flott for dating fordi det finnes i noen nivåer i de fleste typer prøver. Det er bra for datering av vulkanske bergarter.

Carbon-14 (C-14) datering: Karbon-14 kommer inn i organismer fra atmosfæren. Når organismen dør, ikke mer av karbon-14 isotop kan komme inn i organismen, og den vil begynne å forfalle fra det tidspunktet.

Karbon-14 forfaller til nitrogen-14 i den korteste halveringstiden av alle metodene (5730 år), noe som gjør det perfekt for datering av nye eller nylige fossiler. Det brukes stort sett bare til organiske materialer, det vil si dyre- og plantefossiler. Carbon-14 kan ikke brukes til prøver eldre enn 60.000 år gamle.

Til enhver tid har vevene til levende organismer det samme forholdet karbon-12 til karbon-14. Når en organisme dør, som nevnt, slutter den å innlemme nytt karbon i vevet, og det endrede forfallet av karbon-14 til nitrogen-14 endrer forholdet mellom karbon-12 og karbon-14. Ved å sammenligne forholdet mellom karbon-12 og karbon-14 i død materie til forholdet da organismen var i live, kan forskere estimere datoen for organismenes død.