Радиометрическое датирование: определение, как это работает, использование и примеры

Если вы хотите узнать, сколько лет кому-то или чему-то, вы обычно можете полагаться на некоторую комбинацию простого задания вопросов или поиска в Google, чтобы получить точный ответ. Это относится ко всему, от возраста одноклассника до количества лет, в течение которых Соединенные Штаты просуществовали как суверенная нация (243 года по состоянию на 2019 год).

Но как насчет возраста предметов древности, от недавно обнаруженной окаменелости до самого возраста земля сам?

Конечно, вы можете поискать в Интернете и довольно быстро узнать, что согласно научному консенсусу возраст планеты составляет примерно 4,6 миллиарда лет. Но это число не изобретал Google; вместо этого человеческая изобретательность и прикладная физика обеспечили это.

В частности, процесс, называемый радиометрическое датирование позволяет ученым с удивительной степенью точности определять возраст объектов, включая возраст горных пород, от тысяч до миллиардов лет.

Это основано на проверенной комбинации базовой математики и знания физических свойств различных химических элементов.

Понимать методы радиометрического датирования, вы сначала должны понять, что измеряется, как выполняется измерение, а также теоретические, а также практические ограничения используемой системы измерения.

В качестве аналогии представьте, что вы задаетесь вопросом: «Насколько тепло (или холодно) на улице?» На самом деле вы здесь ищете температура, который по сути представляет собой описание того, как быстро молекулы в воздухе движутся и сталкиваются друг с другом, переведенное в удобное число. Вам понадобится устройство для измерения этой активности (термометр, существуют разные виды).

Вам также необходимо знать, когда вы можете или не можете применить конкретный тип устройства к текущей задаче; например, если вы хотите узнать, насколько жарко внутри активной дровяной печи, вы, вероятно, понимаете, что установка бытового термометра, предназначенного для измерения температуры тела внутри печи, не доказывает полезный.

Имейте также в виду, что на протяжении многих веков большинство людей "знали" возраст скал, таких образований, как Гранд-Каньон и все остальное вокруг вас было основано на библейском повествовании в Книге Бытия, которое утверждает, что весь космос, возможно, составляет 10 000 человек. лет.

Современные геологические методы порой оказывались непростыми перед такими популярными, но причудливыми и научно необоснованными представлениями.

Радиометрическое датирование использует тот факт, что состав определенных минералов (горных пород, окаменелостей и других высокопрочных объектов) изменяется с течением времени. В частности, относительные количества их составляющих элементы сдвиг математически предсказуемым образом благодаря феномену, называемому радиоактивный распад.

Это, в свою очередь, зависит от знания изотопы, некоторые из которых являются «радиоактивными» (то есть спонтанно испускают субатомные частицы с известной скоростью).

Изотопы представляют собой разные версии одного и того же элемента (например, углерод, уран, калий); у них одинаковое количество протоны, поэтому идентичность элемента не меняется, но разное количество нейтроны.

• Вы, вероятно, встретите людей и другие источники, которые в общем называют методы радиометрического датирования «радиоуглеродным датированием» или просто «углеродное датирование». Это не более точно, чем называть забеги на 5 км, 10 км и 100 миль «марафоном», и вы узнаете, почему немного.

Некоторые вещи в природе исчезают с более или менее постоянной скоростью, независимо от того, сколько их нужно для начала и сколько осталось. Например, некоторые лекарства, в том числе этиловый спирт, метаболизируются организмом в фиксированном количестве граммов в час (или в других наиболее удобных единицах). Если у кого-то в организме есть эквивалент пяти порций алкоголя, организму требуется в пять раз больше времени, чтобы избавиться от алкоголя, чем если бы в его организме был один напиток.

Однако многие вещества, как биологические, так и химические, подчиняются другому механизму: период времени, половина вещества исчезнет за фиксированное время, независимо от того, сколько присутствует, чтобы начать с участием. Считается, что такие вещества обладают период полураспада. Радиоактивные изотопы подчиняются этому принципу, и их скорость распада сильно различается.

Полезность этого заключается в возможности легко вычислить, сколько данного элемента присутствовало в то время, когда он был сформирован, на основе того, сколько присутствует во время измерения. Это связано с тем, что когда радиоактивные элементы впервые возникают, предполагается, что они полностью состоят из одного изотопа.

Поскольку радиоактивный распад происходит с течением времени, все больше и больше этого наиболее распространенного изотопа «распадается» (т.е. преобразуется) в другой изотоп или изотопы; эти продукты распада уместно называют дочерние изотопы.

Представьте, что вам нравится определенный вид мороженого, приправленный шоколадной крошкой. У вас есть хитрый, но не особо умный сосед по комнате, который не любит само мороженое, но не может устоять выбирает поедание чипсов - и, чтобы избежать обнаружения, заменяет каждую съеденную изюм.

Он боится делать это со всей шоколадной стружкой, поэтому вместо этого каждый день он вытирает половину оставшегося количества шоколада. чипсы и кладет на их место изюм, так и не доведя до конца свое дьявольское превращение вашего десерта, но приближаясь и ближе.

Допустим, второй друг, который знает об этом, приходит и замечает, что в вашей коробке мороженого 70 изюминок и 10 шоколадных крошек. Она заявляет: «Думаю, вы ходили по магазинам около трех дней назад». Откуда она это знает?

Это просто: вы должны были начать с 80 чипсов, потому что теперь у вас есть 70 + 10 = 80 добавок к вашему мороженому. Поскольку ваш сосед по комнате съедает половину фишек в любой день, а не фиксированное количество, в коробке должно быть 20 фишек за день до этого, 40 за день до этого и 80 за день до этого.

Расчеты с участием радиоактивных изотопов более формальны, но следуют тому же основному принципу: Если вы знаете период полураспада радиоактивного элемента и можете измерить, сколько каждого изотопа присутствует, вы можете определить возраст окаменелости, породы или другого объекта, из которого он произошел.

Считается, что элементы с периодом полураспада подчиняются первый заказ процесс распада. У них есть так называемая константа скорости, обычно обозначаемая k. Соотношение между количеством атомов, присутствующих в начале (N₀), число, присутствующее во время измерения N, прошедшее время t и константу скорости k можно записать двумя математически эквивалентными способами:

N = N₀е^−kt

или же

ln [N / N₀] = −kt

Кроме того, вы можете узнать Мероприятия Образец, обычно измеряемый в распадах в секунду или dps. Это выражается просто как:

A = kt

Вам не нужно знать, как выводятся эти уравнения, но вы должны быть готовы их использовать, чтобы решать проблемы, связанные с радиоактивными изотопами.

Ученые, заинтересованные в определении возраста окаменелостей или горных пород, анализируют образец, чтобы определить отношение дочернего изотопа (или изотопов) данного радиоактивного элемента к его родительскому изотопу в этом образец. Математически, из приведенных выше уравнений, это N / N₀. Учитывая заранее известную скорость распада элемента и, следовательно, его период полураспада, вычислить его возраст несложно.

Хитрость заключается в том, чтобы знать, какой из различных распространенных радиоактивных изотопов искать. Это, в свою очередь, зависит от приблизительного ожидаемого возраста объекта, потому что радиоактивные элементы распадаются с огромной разной скоростью.

Кроме того, не все объекты, которые нужно датировать, будут иметь каждый из обычно используемых элементов; вы можете датировать предметы с заданной техникой датировки только в том случае, если они включают необходимое соединение или соединения.

Датирование уран-свинцом (U-Pb): Радиоактивный уран бывает двух видов: уран-238 и уран-235. Число относится к количеству протонов плюс нейтроны. Атомный номер урана 92, что соответствует количеству его протонов. которые распадаются на свинец-206 и свинец-207 соответственно.

Период полураспада урана-238 составляет 4,47 миллиарда лет, а урана-235 - 704 миллиона лет. Поскольку они различаются почти в семь раз (напомним, что миллиард - это 1000 умноженных на миллион), это оказывается "проверкой" для убедитесь, что вы правильно рассчитываете возраст камня или окаменелости, что делает его одним из наиболее точных радиометрических датировок методы.

Большой период полураспада делает эту технику датировки подходящей для особенно старых материалов, возраст которых составляет от 1 миллиона до 4,5 миллиардов лет.

U-Pb датирование сложно из-за двух изотопов в игре, но это свойство также делает его настолько точным. Этот метод также является технически сложным, поскольку свинец может «просачиваться» из многих типов горных пород, что иногда делает расчеты трудными или невозможными.

U-Pb датирование часто используется для датирования магматических (вулканических) горных пород, что может быть затруднительно из-за отсутствия окаменелостей; метаморфических пород; и очень старые скалы. Все это сложно сопоставить с другими методами, описанными здесь.

Рубидий-стронциевый (Rb-Sr) датирование:Радиоактивный рубидий-87 распадается на стронций-87 с периодом полураспада 48,8 миллиарда лет. Неудивительно, что датирование Ru-Sr используется для датирования очень старых горных пород (на самом деле таких же старых, как Земля, поскольку Земле «всего» около 4,6 миллиарда лет).

Стронций существует в других стабильных (т.е. не склонных к распаду) изотопах, включая стронций-86, -88 и -84, в стабильных количествах в других природных организмах, горных породах и т. Д. Но поскольку в земной коре много рубидия-87, концентрация стронция-87 намного выше, чем у других изотопов стронция.

Затем ученые могут сравнить отношение стронция-87 к общему количеству стабильных изотопов стронция, чтобы вычислить уровень распада, при котором образуется обнаруженная концентрация стронция-87.

Этот метод часто используется на сегодняшний день. Магматические породы и очень старые скалы.

Калий-аргоновое (K-Ar) датирование: Радиоактивный изотоп калия - это K-40, который распадается на кальций (Ca) и аргон (Ar) в соотношении 88,8% кальция к 11,2% аргона-40.

Аргон - благородный газ, а это означает, что он не вступает в реакцию и не участвует в начальном образовании каких-либо горных пород или окаменелостей. Следовательно, любой аргон, обнаруженный в горных породах или окаменелостях, должен быть результатом такого рода радиоактивного распада.

Период полураспада калия составляет 1,25 миллиарда лет, что делает этот метод полезным для датирования горных пород. образцы в диапазоне от примерно 100000 лет назад (в эпоху ранних людей) до примерно 4,3 миллиарда много лет назад. Калия на Земле очень много, что делает его идеальным для датирования, поскольку он содержится в некоторых количествах в большинстве видов образцов. Он хорош для датировки магматических пород (вулканических пород).

Датирование углеродом-14 (C-14): Углерод-14 попадает в организмы из атмосферы. Когда организм умирает, больше нет изотоп углерода-14 может попасть в организм, и с этого момента он начнет разлагаться.

Углерод-14 распадается на азот-14 за самый короткий период полураспада из всех методов (5730 лет), что делает его идеальным для датировки новых или недавних окаменелостей. В основном он используется только для органических материалов, то есть ископаемых животных и растений. Углерод-14 нельзя использовать для образцов старше 60 000 лет.

В любой момент времени все ткани живых организмов имеют одинаковое соотношение углерода-12 и углерода-14. Как уже отмечалось, когда организм умирает, он перестает встраивать новый углерод в свои ткани, и поэтому последующий распад углерода-14 на азот-14 изменяет соотношение углерода-12 к углероду-14. Сравнивая соотношение углерода-12 и углерода-14 в мертвом веществе с соотношением, когда этот организм был жив, ученые могут оценить дату смерти организма.