Datowanie radiometryczne: definicja, jak to działa, zastosowania i przykłady

Jeśli chcesz wiedzieć, ile lat ma ktoś lub coś, zazwyczaj możesz polegać na kombinacji prostego zadawania pytań lub wyszukiwania w Google, aby uzyskać dokładną odpowiedź. Odnosi się to do wszystkiego, od wieku kolegi z klasy po liczbę lat, przez które Stany Zjednoczone istniały jako suwerenny naród (243 i licząc od 2019 r.).

Ale co z wiekiem obiektów starożytności, od nowo odkrytej skamieniałości do samego wieku? Ziemia samo?

Jasne, możesz przeszukać Internet i dość szybko dowiedzieć się, że konsensus naukowy określa wiek planety na około 4,6 miliarda lat. Ale Google nie wymyślił tej liczby; zamiast tego zapewniła je ludzka pomysłowość i fizyka stosowana.

W szczególności proces zwany datowanie radiometryczne pozwala naukowcom określić wiek obiektów, w tym wiek skał, od tysięcy lat do miliardów lat z zadziwiającą dokładnością.

Opiera się to na sprawdzonej kombinacji podstawowej matematyki i znajomości właściwości fizycznych różnych pierwiastków chemicznych.

Rozumieć techniki datowania radiometrycznego, najpierw musisz rozumieć, co jest mierzone, w jaki sposób jest dokonywany pomiar oraz teoretyczne i praktyczne ograniczenia stosowanego systemu miar.

Jako analogię, powiedzmy, że zastanawiasz się: „Jak ciepło (lub zimno) jest na zewnątrz?” To, czego tak naprawdę szukasz, to temperatura, który jest zasadniczo opisem tego, jak szybko cząsteczki w powietrzu poruszają się i zderzają ze sobą, przetłumaczony na wygodną liczbę. Do pomiaru tej aktywności potrzebne jest urządzenie (termometr, którego istnieją różne rodzaje).

Musisz także wiedzieć, kiedy możesz, a kiedy nie możesz zastosować określonego typu urządzenia do danego zadania; na przykład, jeśli chcesz wiedzieć, jak gorąco jest wewnątrz aktywnego pieca na drewno, prawdopodobnie to rozumiesz włożenie do pieca domowego termometru do pomiaru temperatury ciała nie sprawdzi się pomocny.

Należy również pamiętać, że przez wiele wieków większość ludzi „wiedzy” o wieku skał, formacji takich jak Wielki Kanion i wszystko inne wokół ciebie opierało się na biblijnym opisie Księgi Rodzaju, który zakłada, że ​​cały kosmos to prawdopodobnie 10 000 lat.

Współczesne metody geologiczne okazywały się czasami drażliwe w obliczu tak popularnych, ale osobliwych i niepotwierdzonych naukowo poglądów.

Datowanie radiometryczne wykorzystuje fakt, że skład niektórych minerałów (skał, skamieniałości i innych obiektów o dużej trwałości) zmienia się w czasie. W szczególności względne ilości ich składnika elementy przesunięcie w sposób matematycznie przewidywalny dzięki zjawisku zwanemu rozpad radioaktywny.

To z kolei opiera się na wiedzy o izotopy, z których niektóre są „radioaktywne” (to znaczy spontanicznie emitują cząstki subatomowe ze znaną szybkością).

Izotopy to różne wersje tego samego pierwiastka (np. węgiel, uran, potas); mają taką samą liczbę protony, dlatego tożsamość elementu nie zmienia się, ale różne liczby numbers neutrony.

• Prawdopodobnie spotkasz ludzi i inne źródła, które odnoszą się do metod datowania radiometrycznego ogólnie jako „datowanie radiowęglowe” lub po prostu „datowanie węglowe”. Nie jest to dokładniejsze niż określenie biegów na 5, 10 i 100 mil jako „maratonów”, a dowiesz się, dlaczego kawałek.

Niektóre rzeczy w naturze znikają w mniej więcej stałym tempie, niezależnie od tego, ile jest na początek, a ile pozostaje. Na przykład niektóre leki, w tym alkohol etylowy, są metabolizowane przez organizm w ustalonej liczbie gramów na godzinę (lub w innych najbardziej dogodnych jednostkach). Jeśli ktoś ma w swoim organizmie równowartość pięciu drinków, oczyszczanie alkoholu zajmuje organizmowi pięć razy więcej czasu, niż gdyby miał jeden drink w swoim systemie.

Wiele substancji, zarówno biologicznych, jak i chemicznych, podlega jednak odmiennemu mechanizmowi: w danym okres czasu, połowa substancji zniknie w ustalonym czasie, bez względu na to, ile jest obecnych na rozpoczęcie z. Mówi się, że takie substancje mają pół życia. Izotopy promieniotwórcze podlegają tej zasadzie i mają bardzo różne szybkości rozpadu.

Użyteczność polega na tym, że można z łatwością obliczyć, ile danego pierwiastka było obecne w momencie jego utworzenia na podstawie tego, ile jest obecne w momencie pomiaru. Dzieje się tak dlatego, że kiedy pierwiastki promieniotwórcze powstają po raz pierwszy, zakłada się, że składają się one wyłącznie z jednego izotopu.

Ponieważ rozpad promieniotwórczy zachodzi z czasem, coraz więcej tego najczęstszego izotopu „rozpada” (tj. jest przekształcane) w inny izotop lub izotopy; te produkty rozpadu są odpowiednio nazywane izotopy córki.

Wyobraź sobie, że lubisz lody o smaku czekoladowym. Masz podstępnego, ale niezbyt mądrego współlokatora, który nie lubi samych lodów, ale nie może się oprzeć wybiera zjedzenie chipsów – i starając się uniknąć wykrycia, zastępuje każdy zjedzony przez rodzynki.

Boi się zrobić to ze wszystkimi kawałkami czekolady, więc zamiast tego każdego dnia zgarnia połowę pozostałej czekolady frytki i wkłada rodzynki na ich miejsce, nigdy nie dokończywszy swojej diabolicznej transformacji twojego deseru, ale zbliżając się i bliższy.

Powiedzmy, że drugi znajomy, który jest świadomy tego układu, odwiedza go i zauważa, że ​​twoje pudełko lodów zawiera 70 rodzynek i 10 kawałków czekolady. Oświadcza: „Wydaje mi się, że poszłaś na zakupy jakieś trzy dni temu”. Skąd ona to wie?

To proste: musiałeś zacząć z 80 żetonami, ponieważ teraz masz 70 + 10 = 80 dodatków do lodów. Ponieważ twój współlokator zjada połowę żetonów w danym dniu, a nie stałą liczbę, w kartonie musiało znajdować się 20 żetonów dzień wcześniej, 40 dzień wcześniej i 80 dzień wcześniej.

Obliczenia dotyczące izotopów promieniotwórczych są bardziej formalne, ale opierają się na tej samej podstawowej zasadzie: Jeśli znasz okres półtrwania pierwiastka promieniotwórczego i możesz zmierzyć, ile każdego izotopu jest obecne, możesz określić wiek skamieniałości, skały lub innej jednostki, z której pochodzi.

Mówi się, że elementy, które mają okres półtrwania, są posłuszne pierwsze zlecenie proces rozpadu. Mają tak zwaną stałą szybkości, zwykle oznaczaną przez k. Zależność między liczbą atomów obecnych na początku (N₀), liczbę obecną w chwili pomiaru N czas, który upłynął t, oraz stałą szybkości k można zapisać na dwa matematycznie równoważne sposoby:

N = N₀mi^−kt

lub

ln[N/N₀] = −kt

Ponadto możesz chcieć poznać czynność A próbki, zwykle mierzone w dezintegracjach na sekundę lub dps. Wyraża się to po prostu jako:

A = kt

Nie musisz wiedzieć, jak te równania są wyprowadzane, ale powinieneś być przygotowany na ich użycie, aby rozwiązać problemy związane z izotopami promieniotwórczymi.

Naukowcy zainteresowani ustaleniem wieku skamieniałości lub skały analizują próbkę w celu określenia stosunek izotopu potomnego danego pierwiastka promieniotwórczego (lub izotopów) do izotopu macierzystego w tym próba. Matematycznie z powyższych równań jest to N/N₀. Przy znanym z góry tempie rozpadu pierwiastka, a tym samym jego okresie półtrwania, obliczenie jego wieku jest proste.

Sztuka polega na tym, aby wiedzieć, którego z różnych powszechnych izotopów promieniotwórczych szukać. To z kolei zależy od przybliżonego przewidywanego wieku obiektu, ponieważ pierwiastki promieniotwórcze rozpadają się w bardzo różnym tempie.

Ponadto nie wszystkie obiekty, które mają być datowane, będą miały każdy z powszechnie używanych elementów; możesz datować przedmioty tylko za pomocą danej techniki datowania, jeśli zawierają potrzebny związek lub związki.

Datowanie uranowo-ołowiowe (U-Pb): Uran radioaktywny występuje w dwóch postaciach: uranu-238 i uranu-235. Liczba odnosi się do liczby protonów plus neutronów. Liczba atomowa uranu wynosi 92, co odpowiada liczbie protonów. które rozpadają się odpowiednio na ołów-206 i ołów-207.

Okres półtrwania uranu-238 wynosi 4,47 miliarda lat, a uranu-235 704 milionów lat. Ponieważ różnią się one prawie siedmiokrotnie (przypomnijmy, że miliard to 1000 razy milion), okazuje się to „sprawdzeniem” dla upewnij się, że prawidłowo obliczasz wiek skały lub skamieniałości, dzięki czemu jest to jedno z najdokładniejszych datowań radiometrycznych metody.

Długie okresy półtrwania sprawiają, że ta technika datowania jest odpowiednia dla szczególnie starych materiałów, mających od około 1 miliona do 4,5 miliarda lat.

Datowanie U-Pb jest skomplikowane ze względu na dwa występujące tu izotopy, ale ta właściwość sprawia, że ​​jest tak precyzyjne. Metoda ta jest również trudna technicznie, ponieważ ołów może „wyciekać” z wielu rodzajów skał, co czasami utrudnia lub uniemożliwia obliczenia.

Datowanie U-Pb jest często stosowane do datowania skał magmowych (wulkanicznych), co może być trudne ze względu na brak skamieniałości; Skały metamorficzne; i bardzo stare skały. Wszystkie te metody są trudne do utrwalenia w przypadku innych opisanych tutaj metod.

Datowanie rubidowo-strontowe (Rb-Sr):Radioaktywny rubid-87 rozpada się na stront-87 z okresem półtrwania 48,8 miliarda lat. Nic dziwnego, że datowanie Ru-Sr jest używane do datowania bardzo starych skał (w rzeczywistości tak starych jak Ziemia, ponieważ Ziemia ma „tylko” około 4,6 miliarda lat).

Stront występuje w innych stabilnych (tj. nie podatnych na rozpad) izotopach, w tym strontu-86, -88 i -84, w stałych ilościach w innych organizmach naturalnych, skałach i tak dalej. Ale ponieważ rubid-87 występuje obficie w skorupie ziemskiej, stężenie strontu-87 jest znacznie wyższe niż innych izotopów strontu.

Naukowcy mogą następnie porównać stosunek strontu-87 do całkowitej ilości stabilnych izotopów strontu, aby obliczyć poziom rozpadu, który powoduje wykryte stężenie strontu-87.

Ta technika jest często stosowana do tej pory skały magmowe i bardzo stare skały.

Datowanie potasowo-argonowe (K-Ar): Radioaktywny izotop potasu to K-40, który rozpada się zarówno na wapń (Ca), jak i argon (Ar) w stosunku 88,8 procent wapnia do 11,2 procent argonu-40.

Argon jest gazem szlachetnym, co oznacza, że ​​jest niereaktywny i nie wchodziłby w skład początkowej formacji jakichkolwiek skał ani skamieniałości. Dlatego każdy argon znaleziony w skałach lub skamielinach musi być wynikiem tego rodzaju rozpadu radioaktywnego.

Okres półtrwania potasu wynosi 1,25 miliarda lat, co czyni tę technikę użyteczną do datowania skał próbek od około 100 000 lat temu (w wieku wczesnych ludzi) do około 4,3 miliarda Lata temu. Potas jest bardzo bogaty w Ziemi, dzięki czemu świetnie nadaje się do datowania, ponieważ znajduje się na niektórych poziomach w większości rodzajów próbek. Nadaje się do datowania skał magmowych (skał wulkanicznych).

Datowanie węgla-14 (C-14): Carbon-14 dostaje się do organizmów z atmosfery. Kiedy organizm umiera, nie więcej izotop węgla-14 może dostać się do organizmu i od tego momentu zacznie się rozkładać.

Węgiel-14 rozpada się na azot-14 w najkrótszym okresie półtrwania ze wszystkich metod (5730 lat), co czyni go idealnym do datowania nowych lub niedawnych skamieniałości. Jest używany głównie do materiałów organicznych, czyli skamieniałości zwierzęcych i roślinnych. Carbon-14 nie może być stosowany do próbek starszych niż 60 000 lat.

W każdym momencie wszystkie tkanki żywych organizmów mają ten sam stosunek węgla-12 do węgla-14. Kiedy organizm umiera, jak zauważono, przestaje włączać nowy węgiel do swoich tkanek, a następnie rozpad węgla-14 na azot-14 zmienia stosunek węgla-12 do węgla-14. Porównując stosunek węgla-12 do węgla-14 w martwej materii do stosunku, gdy ten organizm żył, naukowcy mogą oszacować datę śmierci organizmu.