Rádiometrické zoznamky: definícia, ako to funguje, použitie a príklady

Ak chcete vedieť, koľko rokov niekto alebo niečo je, môžete sa všeobecne spoľahnúť na to, že k presnej odpovedi sa dostanete pomocou kombinácie jednoduchého kladenia otázok alebo Googlu. To platí pre všetko od veku spolužiaka po počet rokov existencie USA ako suverénneho národa (243 a počíta sa od roku 2019).

Ale čo vek vekov staroveku, od novoobjavenej fosílie až po samotný vek Zem sám?

Iste, môžete prehľadať internet a pomerne rýchlo sa dozvedieť, že vedecký konsenzus určuje vek planéty približne 4,6 miliárd rokov. Google však toto číslo nevymyslel; namiesto toho to poskytla ľudská vynaliezavosť a aplikovaná fyzika.

Konkrétne ide o proces tzv rádiometrické datovanie umožňuje vedcom určiť vek objektov, vrátane vekov hornín, od tisícok rokov do miliárd rokov až po úžasnú mieru presnosti.

To sa spolieha na osvedčenú kombináciu základnej matematiky a znalostí fyzikálnych vlastností rôznych chemických prvkov.

Rozumieť rádiometrické datovacie techniky, musíte najskôr pochopiť, čo sa meria, ako sa meranie robí a teoretické, ako aj praktické obmedzenia použitého systému merania.

Analogicky, povedzme, že vás zaujíma: „Ako je vonku teplo (alebo zima)?“ To, čo tu vlastne hľadáte, je teplota, čo je v zásade opis toho, ako rýchlo sa molekuly vo vzduchu pohybujú a zrážajú navzájom, preložené do vhodného čísla. Na meranie tejto činnosti potrebujete zariadenie (teplomer, ktorý existuje rôznych druhov).

Musíte tiež vedieť, kedy môžete alebo nemôžete na konkrétnu úlohu použiť konkrétny typ zariadenia; napríklad ak chcete vedieť, aké je teplo na vnútornej strane kachlí na aktívne drevo, pravdepodobne to pochopíte vloženie domáceho teplomeru určeného na meranie telesnej teploty do kachlí sa nepreukáže užitočné.

Uvedomte si tiež, že po mnoho storočí väčšina „vedomostí“ ľudí o veku hornín, formáciách, ako je Veľký kaňon, a všetko ostatné okolo vás bolo založené na správe Biblie z knihy Genesis, ktorá predpokladá, že celý vesmír je možno 10 000 rokov starý.

Moderné geologické metódy sa niekedy ukázali ako trnité zoči-voči takým populárnym, ale kurióznym a vedecky nepodloženým predstavám.

Rádiometrické datovanie využíva skutočnosť, že zloženie určitých minerálov (horniny, fosílie a iné vysoko odolné predmety) sa časom mení. Konkrétne relatívne množstvo ich zložky prvkov posun matematicky predvídateľným spôsobom vďaka javu tzv rádioaktívny rozpad.

Toto sa zase spolieha na vedomosti o izotopy, z ktorých niektoré sú „rádioaktívne“ (to znamená, že spontánne emitujú subatomárne častice známou rýchlosťou).

Izotopy sú rôzne verzie rovnakého prvku (napr. uhlík, urán, draslík); majú rovnaký počet protóny, čo je dôvod, prečo sa nemení identita prvku, ale rozdielny počet neutróny.

• Je pravdepodobné, že sa stretnete s ľuďmi a inými zdrojmi, ktoré rádiometrické metódy datovania všeobecne alebo všeobecne nazývajú „rádiokarbónové datovanie“ „uhlíkové datovanie“. Nie je to presnejšie ako označiť bežecké preteky na 5 km, 10 km a 100 míľ ako „maratóny“ a dôvod sa dozviete v trocha.

Niektoré veci v prírode miznú viac-menej konštantnou rýchlosťou, bez ohľadu na to, koľko toho treba začať a koľko toho zostáva. Napríklad niektoré lieky, vrátane etylalkoholu, telo metabolizuje v pevnom počte gramov za hodinu (alebo v akýchkoľvek jednotkách, ktoré sú pre to najvýhodnejšie). Ak má niekto v systéme ekvivalent piatich nápojov, alkoholu trvá telo päťkrát dlhšie, ako keby si dal jeden nápoj v systéme.

Mnoho látok, biologických aj chemických, však vyhovuje odlišným mechanizmom: V danom prípade časové obdobie, polovica látky zmizne v stanovenom čase bez ohľadu na to, koľko je prítomné na začiatku s. O takýchto látkach sa hovorí, že majú a polovičný život. Rádioaktívne izotopy sa podriaďujú tomuto princípu a majú veľmi rozdielne rýchlosti rozpadu.

Užitočnosť tohto riešenia spočíva v tom, že je možné ľahko vypočítať, koľko daného prvku bolo prítomných v čase, keď bol tvorený, na základe toho, koľko ich je v čase merania. Je to tak preto, lebo pri prvom vzniku rádioaktívnych prvkov sa predpokladá, že sa skladajú výlučne z jedného izotopu.

Pretože v priebehu času dochádza k rádioaktívnemu rozpadu, čoraz viac tohto najbežnejšieho izotopu sa „rozpadá“ (t.j. sa prevádza) na iný izotop alebo izotopy; tieto produkty rozpadu sa vhodne nazývajú dcérske izotopy.

Predstavte si, že si doprajete určitý druh zmrzliny ochutenej čokoládovými lupienkami. Máte záludného, ​​ale nie obzvlášť šikovného spolubývajúceho, ktorý sám o sebe nemá rád zmrzlinu, ale nedokáže odolať vyberie si hranolky - a v snahe vyhnúť sa odhaleniu nahradí každý, ktorý konzumuje, a hrozienka.

Bojí sa to urobiť so všetkými čokoládovými lupienkami, takže namiesto toho každý deň prejde polovicou z počtu zostávajúcej čokolády čipy a na svoje miesto dá hrozienka, nikdy celkom nedokončí svoju diabolskú premenu vášho dezertu, ale zblíži sa a bližšie.

Povedzme, že druhý priateľ, ktorý si je vedomý tejto dohody, navštívi a všimne si, že tvoj kartón so zmrzlinou obsahuje 70 hrozienok a 10 čokoládových lupienkov. Vyhlási: „Myslím, že si šiel nakupovať asi pred tromi dňami.“ Ako to vie?

Je to jednoduché: Určite ste začali s celkom 80 čipmi, pretože teraz máte do zmrzliny celkovo 70 + 10 = 80 prísad. Pretože váš spolubývajúci zje v ktorýkoľvek deň polovicu žetónov, a nie pevné číslo, v kartóne musí byť 20 žetónov deň predtým, 40 deň predtým a 80 deň predtým.

Výpočty týkajúce sa rádioaktívnych izotopov sú formálnejšie, ale riadia sa rovnakým základným princípom: Ak poznáte polčas rozpadu rádioaktívneho prvku a viete zmerať, koľko z každého izotopu sa v ňom nachádza, môžete zistiť vek fosílie, horniny alebo inej entity, z ktorej pochádza.

Prvky, ktoré majú polčas rozpadu, sa údajne podriaďujú a prvá objednávka rozpadový proces. Majú takzvanú rýchlostnú konštantu, ktorá sa zvyčajne označuje k. Vzťah medzi počtom atómov prítomných na začiatku (N₀), číslo prítomné v čase merania N, uplynulý čas t a rýchlostnú konštantu k možno zapísať dvoma matematicky ekvivalentnými spôsobmi:

N = N₀e^−kt

alebo

ln [N / N₀] = −kt

Okrem toho by vás mohlo zaujímať činnosť A vzorky, zvyčajne meranej v dezintegráciách za sekundu alebo v dps. Vyjadruje sa to jednoducho ako:

A = kt

Nemusíte vedieť, ako sú tieto rovnice odvodené, ale mali by ste byť pripravení ich použiť na riešenie problémov týkajúcich sa rádioaktívnych izotopov.

Vedci, ktorí sa zaujímajú o vek fosílií alebo hornín, analyzujú vzorku a určia pomer dcérskeho izotopu (alebo izotopov) daného rádioaktívneho prvku k jeho pôvodnému izotopu vzorka. Matematicky z vyššie uvedených rovníc je to N / N₀. Pri rýchlosti rozpadu prvku, a teda aj jeho polčase rozpadu, ktorý je známy vopred, je výpočet jeho veku priamy.

Trik je v tom, vedieť, ktoré z rôznych bežných rádioaktívnych izotopov hľadať. To zase závisí od približného očakávaného veku objektu, pretože rádioaktívne prvky sa rozpadajú enormne rozdielnymi rýchlosťami.

Tiež nie všetky objekty, ktoré majú byť datované, budú mať každý z bežne používaných prvkov; položky s danou technikou datovania môžete datovať, iba ak obsahujú potrebnú zlúčeninu alebo zlúčeniny.

Zoznamka uránového olova (U-Pb): Rádioaktívny urán má dve formy: urán-238 a urán-235. Číslo sa týka počtu protónov plus neutrónov. Atómové číslo uránu je 92, čo zodpovedá počtu protónov. ktoré sa rozpadajú na olovo-206, respektíve olovo-207.

Polčas rozpadu uránu-238 je 4,47 miliárd rokov, zatiaľ čo polčasu uránu-235 je 704 miliónov rokov. Pretože sa líšia takmer sedemkrát (pripomeňme, že miliarda je 1 000 krát milión), čo dokazuje „kontrolu“ uistite sa, že správne počítate vek skaly alebo fosílie, čo z toho robí najpresnejšie rádiometrické datovanie metódy.

Vďaka dlhým polčasom rozpadu je táto technika datovania vhodná najmä pre staré materiály staré asi 1 milión až 4,5 miliárd rokov.

Datovanie U-Pb je zložité kvôli dvom izotopom v hre, ale vďaka tejto vlastnosti je také presné. Metóda je tiež technicky náročná, pretože olovo môže „unikať“ z mnohých druhov hornín, čo niekedy sťažuje alebo znemožňuje výpočty.

Datovanie U-Pb sa často používa na datovanie vyvretých (vulkanických) hornín, čo je ťažké urobiť kvôli nedostatku fosílií; metamorfované horniny; a veľmi staré skaly. Všetky tieto metódy sú dodnes ťažko popísané.

Datovanie rubídia-stroncia (Rb-Sr):Rádioaktívny rubídium-87 sa rozpadá na stroncium-87 s polčasom rozpadu 48,8 miliárd rokov. Nie je prekvapením, že datovanie pomocou Ru-Sr sa používa na datovanie veľmi starých hornín (v skutočnosti starých ako Zem, pretože Zem je stará „iba“ okolo 4,6 miliárd rokov).

Stroncium existuje v iných stabilných (tj. Nie náchylných na rozpad) izotopoch, vrátane stroncia-86, -88 a -84, v stabilných množstvách v iných prírodných organizmoch, horninách a podobne. Ale pretože rubídium-87 je hojne zastúpené v zemskej kôre, je koncentrácia stroncia-87 oveľa vyššia ako v ostatných izotopoch stroncia.

Vedci potom môžu porovnať pomer stroncia-87 k celkovému množstvu stabilných izotopov stroncia a vypočítať úroveň rozpadu, ktorá vedie k zistenej koncentrácii stroncia-87.

Táto technika sa často používa dodnes vyvreliny a veľmi staré skaly.

Zoznamka draslíka a argónu (K-Ar): Rádioaktívnym izotopom draslíka je K-40, ktorý sa rozpadá na vápnik (Ca) aj argón (Ar) v pomere 88,8% vápnika k 11,2% argónu-40.

Argón je vzácny plyn, čo znamená, že je nereaktívny a nebol by súčasťou počiatočného formovania akýchkoľvek hornín alebo fosílií. Akýkoľvek argón nájdený v horninách alebo fosíliách musí byť preto výsledkom tohto druhu rádioaktívneho rozpadu.

Polčas rozpadu draslíka je 1,25 miliardy rokov, čo robí túto techniku ​​užitočnou pre datovanie horniny vzorky v rozmedzí od približne 100 000 rokov (počas veku raných ľudí) do približne 4,3 miliárd pred rokmi. Draslík je na Zemi veľmi hojný, takže je vhodný na datovanie, pretože sa nachádza v niektorých úrovniach vo väčšine druhov vzoriek. Je vhodný na datovanie magmatických hornín (vulkanických hornín).

Zoznamka s obsahom uhlíka 14 (C-14): Uhlík-14 vstupuje do organizmov z atmosféry. Keď organizmus zomrie, už nie izotop uhlíka-14 môže vstúpiť do organizmu a od tohto bodu sa začne rozpadať.

Uhlík-14 sa rozpadá na dusík-14 v najkratšom polčase všetkých metód (5 730 rokov), čo ho robí ideálnym pre datovanie nových alebo nedávnych fosílií. Väčšinou sa používa iba na organické materiály, to znamená živočíšne a rastlinné fosílie. Uhlík-14 nemožno použiť na vzorky staršie ako 60 000 rokov.

V danom okamihu majú všetky tkanivá živých organizmov rovnaký pomer uhlíka-12 k uhlíku-14. Keď organizmus zomrie, ako bolo uvedené, prestane inkorporovať nový uhlík do svojich tkanív, a tak následný rozpad uhlíka-14 na dusík-14 mení pomer uhlíka-12 k uhlíku-14. Vedci môžu odhadnúť dátum smrti organizmu porovnaním pomeru uhlíka-12 k uhlíku-14 v mŕtvej hmote k pomeru, kedy bol tento organizmus nažive.