Se você quiser saber a idade de alguém ou algo, geralmente pode contar com alguma combinação de simplesmente fazer perguntas ou pesquisar no Google para chegar a uma resposta precisa. Isso se aplica a tudo, desde a idade de um colega de classe até o número de anos de existência dos Estados Unidos como nação soberana (243 e contando a partir de 2019).
Mas e quanto à idade dos objetos da antiguidade, desde um fóssil recém-descoberto até a própria idade do terra em si?
Claro, você pode vasculhar a Internet e aprender rapidamente que o consenso científico aponta a idade do planeta em cerca de 4,6 bilhões de anos. Mas o Google não inventou esse número; em vez disso, a engenhosidade humana e a física aplicada o forneceram.
Especificamente, um processo chamado datação radiométrica permite aos cientistas determinar as idades dos objetos, incluindo as idades das rochas, variando de milhares de anos a bilhões de anos com um grau maravilhoso de precisão.
Isso se baseia em uma combinação comprovada de matemática básica e conhecimento das propriedades físicas de diferentes elementos químicos.
Datação radiométrica: como funciona?
Para entender técnicas de datação radiométrica, primeiro você deve ter uma compreensão do que está sendo medido, como a medição está sendo feita e as limitações teóricas e práticas do sistema de medição que está sendo usado.
Como uma analogia, digamos que você se pergunte: "Quão quente (ou frio) está lá fora?" O que você está realmente procurando aqui é o temperatura, que é fundamentalmente uma descrição da rapidez com que as moléculas no ar se movem e colidem umas com as outras, traduzido em um número conveniente. Você precisa de um dispositivo para medir essa atividade (um termômetro, que possui vários tipos).
Você também precisa saber quando pode ou não pode aplicar um determinado tipo de dispositivo à tarefa em questão; por exemplo, se você quiser saber o quão quente está dentro de um fogão a lenha ativo, você provavelmente entende que colocar um termômetro doméstico para medir a temperatura corporal dentro do fogão não vai provar útil.
Esteja ciente também de que, por muitos séculos, a maior parte do "conhecimento" humano da idade das rochas, formações como o Grand Canyon e tudo o mais ao seu redor foi baseado no relato de Gênesis da Bíblia, que postula que todo o cosmos é talvez 10.000 anos.
Os métodos geológicos modernos às vezes se mostraram espinhosos em face dessas noções populares, mas estranhas e cientificamente sem suporte.
Por que usar esta ferramenta?
A datação radiométrica aproveita o fato de que a composição de certos minerais (rochas, fósseis e outros objetos altamente duráveis) muda com o tempo. Especificamente, as quantidades relativas de seus constituintes elementos mudança de uma forma matematicamente previsível graças a um fenômeno chamado decaimento radioativo.
Isso, por sua vez, depende do conhecimento de isótopos, alguns dos quais são "radioativos" (isto é, eles emitem partículas subatômicas espontaneamente em uma taxa conhecida).
Isótopos são versões diferentes do mesmo elemento (por exemplo, carbono, urânio, potássio); eles têm o mesmo número de prótons, é por isso que a identidade do elemento não muda, mas diferentes números de nêutrons.
- Você provavelmente encontrará pessoas e outras fontes que se referem a métodos de datação radiométrica genericamente como "datação por radiocarbono" ou apenas "datação por carbono". Isso não é mais preciso do que referir-se a corridas de corrida de 5 km, 10 km e 160 km como "maratonas", e você aprenderá por que em um pedaço.
O conceito de meia-vida
Algumas coisas na natureza desaparecem a uma taxa mais ou menos constante, independentemente de quanto há para começar e de quanto resta. Por exemplo, certas drogas, incluindo álcool etílico, são metabolizadas pelo corpo em um número fixo de gramas por hora (ou quaisquer unidades que sejam mais convenientes). Se alguém tem o equivalente a cinco doses em seu sistema, o corpo leva cinco vezes mais tempo para limpar o álcool do que levaria se ele tivesse uma bebida em seu sistema.
Muitas substâncias, no entanto, tanto biológicas quanto químicas, obedecem a um mecanismo diferente: em um determinado período de tempo, metade da substância irá desaparecer em um tempo fixo, não importa o quanto esteja presente para começar com. Diz-se que tais substâncias têm um meia vida. Os isótopos radioativos obedecem a esse princípio e têm taxas de decaimento totalmente diferentes.
A utilidade disso está em ser capaz de calcular com facilidade quanto de um determinado elemento estava presente no momento em que foi formado, com base em quanto estava presente no momento da medição. Isso ocorre porque, quando os elementos radioativos surgem pela primeira vez, presume-se que eles consistam inteiramente em um único isótopo.
À medida que o decaimento radioativo ocorre ao longo do tempo, mais e mais deste isótopo mais comum "decai" (isto é, é convertido) em um ou mais isótopos diferentes; esses produtos de decomposição são apropriadamente chamados filha isótopos.
Uma definição de meia-vida em sorvete
Imagine que você gosta de um certo tipo de sorvete aromatizado com gotas de chocolate. Você tem um colega de quarto sorrateiro, mas não especialmente inteligente, que não gosta do sorvete em si, mas não consegue resistir escolhendo comer os chips - e em um esforço para evitar a detecção, ele substitui cada um que consome por um passa.
Ele tem medo de fazer isso com todas as gotas de chocolate, então, em vez disso, a cada dia, ele rouba metade da quantidade de chocolate restante chips e coloca passas em seu lugar, nunca completando a transformação diabólica de sua sobremesa, mas chegando mais perto mais próximo.
Digamos que um segundo amigo que está ciente desse arranjo visite e perceba que sua caixa de sorvete contém 70 passas e 10 gotas de chocolate. Ela declara: "Acho que você foi às compras há cerca de três dias." Como ela sabe disso?
É simples: você deve ter começado com um total de 80 chips, porque agora você tem 70 + 10 = 80 aditivos no total para seu sorvete. Como seu colega de quarto come metade das fichas em um determinado dia, e não um número fixo, a caixa deve conter 20 fichas no dia anterior, 40 no dia anterior e 80 no dia anterior.
Os cálculos envolvendo isótopos radioativos são mais formais, mas seguem o mesmo princípio básico: Se você conhece a meia-vida do elemento radioativo e pode medir quanto de cada isótopo está presente, você pode descobrir a idade do fóssil, rocha ou outra entidade de onde ele vem.
Equações-chave na datação radiométrica
Elementos que têm meia-vida obedecem a um primeira ordem processo de decadência. Eles têm o que é conhecido como constante de taxa, geralmente denotada por k. A relação entre o número de átomos presentes no início (N0), o número presente no momento da medição N, o tempo decorrido t, e a constante de taxa k podem ser escritos de duas maneiras matematicamente equivalentes:
Além disso, você pode querer saber o atividade A de uma amostra, normalmente medido em desintegrações por segundo ou dps. Isso é expresso simplesmente como:
A = kt
Você não precisa saber como essas equações são derivadas, mas deve estar preparado para usá-las para resolver problemas envolvendo isótopos radioativos.
Usos de datação radiométrica
Cientistas interessados em descobrir a idade de um fóssil ou rocha analisam uma amostra para determinar o razão de um determinado isótopo filho de elemento radioativo (ou isótopos) para seu isótopo pai naquele amostra. Matematicamente, a partir das equações acima, isso é N / N0. Com a taxa de decaimento do elemento e, portanto, sua meia-vida, conhecida de antemão, calcular sua idade é fácil.
O truque é saber qual dos vários isótopos radioativos comuns procurar. Isso, por sua vez, depende da idade aproximada esperada do objeto porque os elementos radioativos decaem em taxas enormemente diferentes.
Além disso, nem todos os objetos a serem datados terão cada um dos elementos comumente usados; você só pode datar itens com uma determinada técnica de datação se eles incluírem o composto ou compostos necessários.
Exemplos de datação radiométrica
Datação de urânio-chumbo (U-Pb): O urânio radioativo vem em duas formas, urânio-238 e urânio-235. O número se refere ao número de prótons mais nêutrons. O número atômico do urânio é 92, correspondendo ao seu número de prótons. que decaem em chumbo-206 e chumbo-207, respectivamente.
A meia-vida do urânio-238 é de 4,47 bilhões de anos, enquanto a do urânio-235 é de 704 milhões de anos. Como estes diferem por um fator de quase sete (lembre-se de que um bilhão é 1.000 vezes um milhão), isso prova um "cheque" para certifique-se de que está calculando a idade da rocha ou fóssil corretamente, tornando-a uma das datações radiométricas mais precisas métodos.
As longas meias-vidas tornam esta técnica de datação adequada especialmente para materiais antigos, de cerca de 1 milhão a 4,5 bilhões de anos.
A datação U-Pb é complexa por causa dos dois isótopos em jogo, mas essa propriedade também é o que a torna tão precisa. O método também é tecnicamente desafiador porque o chumbo pode "vazar" de muitos tipos de rochas, às vezes tornando os cálculos difíceis ou impossíveis.
A datação U-Pb é freqüentemente usada para datar rochas ígneas (vulcânicas), o que pode ser difícil devido à falta de fósseis; rochas metamórficas; e pedras muito velhas. Todos esses são difíceis de atualizar com os outros métodos descritos aqui.
Datação de rubídio-estrôncio (Rb-Sr):Radioativo o rubídio-87 decai em estrôncio-87 com meia-vida de 48,8 bilhões de anos. Não surpreendentemente, a datação por Ru-Sr é usada para datar rochas muito antigas (tão antigas quanto a Terra, na verdade, já que a Terra tem "apenas" cerca de 4,6 bilhões de anos).
O estrôncio existe em outros isótopos estáveis (isto é, não sujeitos a decomposição), incluindo estrôncio-86, -88 e -84, em quantidades estáveis em outros organismos naturais, rochas e assim por diante. Mas, como o rubídio-87 é abundante na crosta terrestre, a concentração de estrôncio-87 é muito maior do que a dos outros isótopos de estrôncio.
Os cientistas podem então comparar a proporção do estrôncio-87 com a quantidade total de isótopos estáveis de estrôncio para calcular o nível de decomposição que produz a concentração detectada de estrôncio-87.
Esta técnica é frequentemente usada até hoje Rochas ígneas e pedras muito velhas.
Datação de potássio-argônio (K-Ar): O isótopo de potássio radioativo é o K-40, que decai em cálcio (Ca) e argônio (Ar) em uma proporção de 88,8% de cálcio para 11,2% de argônio-40.
O argônio é um gás nobre, o que significa que não é reativo e não faria parte da formação inicial de nenhuma rocha ou fóssil. Qualquer argônio encontrado em rochas ou fósseis, portanto, tem que ser o resultado desse tipo de decomposição radioativa.
A meia-vida do potássio é de 1,25 bilhão de anos, o que torna esta técnica útil para a datação de rochas. amostras variando de cerca de 100.000 anos atrás (durante a idade dos primeiros humanos) a cerca de 4,3 bilhões anos atrás. O potássio é muito abundante na Terra, o que o torna ótimo para datação porque é encontrado em alguns níveis na maioria dos tipos de amostras. É bom para datar rochas ígneas (rochas vulcânicas).
Datação por carbono-14 (C-14): O carbono-14 entra nos organismos da atmosfera. Quando o organismo morre, não há mais isótopo carbono-14 pode entrar no organismo, e começará a se decompor a partir desse ponto.
O carbono-14 decai em nitrogênio-14 na meia-vida mais curta de todos os métodos (5.730 anos), o que o torna perfeito para datar fósseis novos ou recentes. É usado principalmente apenas para materiais orgânicos, ou seja, fósseis de animais e plantas. O carbono-14 não pode ser usado para amostras com mais de 60.000 anos.
A qualquer momento, todos os tecidos dos organismos vivos têm a mesma proporção de carbono-12 para carbono-14. Quando um organismo morre, conforme observado, ele para de incorporar novo carbono em seus tecidos e, assim, a decomposição subsequente do carbono-14 em nitrogênio-14 altera a proporção do carbono-12 para o carbono-14. Comparando a proporção do carbono 12 com o carbono 14 na matéria morta com a proporção em que o organismo estava vivo, os cientistas podem estimar a data da morte do organismo.