Če želite vedeti, koliko je nekdo ali kaj star, se na splošno lahko zanesete na kombinacijo preprostega vprašanja ali Googlanja, da boste dobili natančen odgovor. To velja za vse, od starosti sošolca do števila let, ko so ZDA obstajale kot suverena država (243 in šteje od leta 2019).
Kaj pa starosti antičnih predmetov, od na novo odkritega fosila do samega obdobja Zemlja sama?
Seveda lahko brskate po internetu in se dokaj hitro naučite, da znanstveno soglasje pripelje do starosti planeta približno 4,6 milijarde let. Toda Google te številke ni izumil; namesto tega sta ga zagotovili človeška iznajdljivost in uporabna fizika.
Natančneje, postopek z imenom radiometrično datiranje omogoča znanstvenikom, da določijo starost predmetov, vključno s starostjo kamnin, od tisoč let do milijard let in do čudovite stopnje natančnosti.
Ta temelji na preizkušeni kombinaciji osnovne matematike in znanja o fizikalnih lastnostih različnih kemijskih elementov.
Radiometrični zmenki: kako deluje?
Razumeti tehnike radiometričnih zmenkov
Kot analogijo recimo, da se sprašujete: "Kako toplo (ali hladno) je zunaj?" Kar tukaj pravzaprav iščete je temperatura, kar je v osnovi opis, kako hitro se molekule v zraku premikajo in trčijo med seboj, prevedeno v priročno število. Za merjenje te aktivnosti potrebujete napravo (termometer, ki obstaja v različnih vrstah).
Vedeti morate tudi, kdaj lahko določeno vrsto naprave uporabite za določeno nalogo; na primer, če želite vedeti, kako vroče je na notranji strani aktivne peči na drva, to verjetno razumete dajanje gospodinjskega termometra, namenjenega za merjenje telesne temperature v peč, ne bo dokazano koristno.
Zavedajte se tudi, da večina človeških ved o starosti kamnin, formacij, kot je Veliki kanjon, in vse ostalo okoli vas je bilo zasnovano na Genesis Bibliji, ki pravi, da je ves kozmos morda 10.000 stara leta.
Sodobne geološke metode so se včasih izkazale za trdo ob tako priljubljenih, a čudnih in znanstveno neutemeljenih pojmih.
Zakaj uporabljati to orodje?
Radiometrično datiranje izkorišča dejstvo, da se sestava nekaterih mineralov (kamnine, fosili in drugi zelo trpežni predmeti) sčasoma spreminja. Natančneje, relativne količine njihovih sestavin elementi premik na matematično predvidljiv način zaradi pojava, imenovanega radioaktivni razpad.
To pa se opira na znanje o izotopi, od katerih so nekateri "radioaktivni" (to pomeni, da spontano oddajajo subatomske delce z znano hitrostjo).
Izotopi so različne različice istega elementa (npr. ogljik, uran, kalij); imajo enako število protoni, zaradi česar se identiteta elementa ne spremeni, temveč različno število nevtroni.
- Verjetno boste naleteli na ljudi in druge vire, ki se na radiometrične metode zmenkov nanašajo splošno kot "radiokarbonsko zmenkanje" ali samo "datiranje z ogljikom". To ni nič bolj natančno kot sklicevanje na tekaške dirke 5K, 10K in 100 milj kot "maratone", saj boste v bit.
Koncept razpolovnega življenja
Nekatere stvari v naravi izginejo z bolj ali manj konstantno hitrostjo, ne glede na to, s čim se začne in koliko ostane. Na primer, nekatera zdravila, vključno z etilnim alkoholom, telo presnavlja s fiksnim številom gramov na uro (ali katere koli enote so najbolj primerne). Če ima nekdo v svojem sistemu enakovrednih petim pijačam, telo traja petkrat toliko časa, da očisti alkohol, kot če bi imel eno pijačo v sistemu.
Številne snovi pa, tako biološke kot kemične, ustrezajo drugačnemu mehanizmu: v danem V določenem obdobju bo polovica snovi izginila v določenem času, ne glede na to, koliko je na voljo za začetek s. Takšne snovi naj bi imele a polovično življenje. Radioaktivni izotopi upoštevajo to načelo in imajo zelo različne stopnje razpada.
Uporabnost tega je v tem, da lahko z lahkoto izračunamo, koliko določenega elementa je bilo prisotnega v času, ko je bil oblikovan, na podlagi tega, koliko je prisoten v času merjenja. To je zato, ker se domneva, da radioaktivni elementi, ko prvič nastanejo, v celoti sestavljajo en sam izotop.
Ker se radioaktivni razpad sčasoma pojavlja, se vedno več tega najpogostejšega izotopa "razpada" (tj. Pretvori) v drug izotop ali izotope; ti produkti razpada se ustrezno imenujejo hčerinski izotopi.
Definicija razpolovnega življenja v sladoledu
Predstavljajte si, da uživate v določeni vrsti sladoleda z okusom čokoladnih čipsov. Imate podlega, a ne posebno pametnega sostanovalca, ki ne mara samega sladoleda, a se mu ne more upreti izbira jesti čips - in da bi se izognil odkritju, vsakega, ki ga zaužije, nadomesti z rozine.
Boji se tega narediti z vsemi čokoladnimi čipsi, zato namesto tega vsak dan potegne polovico števila preostale čokolade čips in na njihovo mesto postavi rozine, nikoli povsem ne dokonča svoje diabolične preobrazbe vaše sladice, ampak se približa in bližje.
Recimo drugi prijatelj, ki je seznanjen z obiski tega dogovora in opazi, da vaša škatla sladoleda vsebuje 70 rozin in 10 čipsov. Izjavlja: "Predvidevam, da ste šli po nakupih pred približno tremi dnevi." Kako to ve?
Preprosto: začeli ste s skupno 80 žetoni, saj imate zdaj v svojem sladoledu 70 + 10 = 80 dodatkov. Ker vaš sostanovalec na dan poje polovico žetonov in ne določenega števila, mora biti v škatli dan prej 20 žetonov, dan pred tem 40 in dan pred tem 80.
Izračuni, ki vključujejo radioaktivne izotope, so bolj formalni, vendar sledijo istemu osnovnemu načelu: Če poznate razpolovno dobo radioaktivnega elementa in lahko izmerite, koliko vsakega izotopa je prisoten, lahko ugotovite starost fosila, kamnine ali druge entitete, iz katere prihaja.
Ključne enačbe v radiometričnem datiranju
Elementi, ki imajo razpolovno dobo, naj bi ubogali a prvo naročilo proces razpada. Imajo tako imenovano konstanto hitrosti, ki jo običajno označimo s k. Razmerje med številom atomov, prisotnih na začetku (N0), število, prisotno v času merjenja N, pretečeni čas t, in konstanto hitrosti k lahko zapišemo na dva matematično enakovredna načina:
Poleg tega boste morda želeli vedeti dejavnosti A vzorca, ki se običajno meri v razpadih na sekundo ali dps. To je izraženo preprosto kot:
A = kt
Ni vam treba vedeti, kako izhajajo te enačbe, vendar jih morate biti pripravljeni uporabiti, da boste rešili težave z radioaktivnimi izotopi.
Uporabe radiometričnih zmenkov
Znanstveniki, ki jih zanima ugotovitev starosti fosila ali kamnine, analizirajo vzorec, da bi ugotovili razmerje hčerinskega izotopa (ali izotopov) danega radioaktivnega elementa proti njegovemu matičnemu izotopu v tem vzorec. Matematično je iz zgornjih enačb to N / N0. S hitrostjo propadanja elementa in s tem vnaprej znanim razpolovnim časom je izračun njegove starosti enostaven.
Trik je vedeti, katerega od različnih običajnih radioaktivnih izotopov je treba iskati. To pa je odvisno od približne pričakovane starosti predmeta, ker radioaktivni elementi propadajo z zelo različnimi hitrostmi.
Poleg tega vsi predmeti, ki bodo datirani, ne bodo imeli vseh elementov, ki se pogosto uporabljajo; z določenimi tehnikami zmenkov lahko datirate predmete le, če vključujejo potrebno spojino ali spojine.
Primeri radiometričnih zmenkov
Zmenki urana in svinca (U-Pb): Radioaktivni uran je v dveh oblikah, uran-238 in uran-235. Število se nanaša na število protonov in nevtronov. Atomsko število urana je 92, kar ustreza številu protonov. ki razpadejo v svinec-206 oziroma svinec-207.
Razpolovna doba urana-238 je 4,47 milijarde let, urana-235 pa 704 milijonov let. Ker se te razlikujejo za skoraj sedemkrat (spomnimo se, da je milijarda 1000-krat na milijon), to dokazuje "preverjanje" za poskrbite, da boste pravilno izračunali starost kamnine ali fosila, tako da bo to med najbolj natančnimi radiometričnimi datumi metode.
Zaradi dolgih razpolovnih časov je ta tehnika zmenkov primerna za zlasti stare materiale, stare od približno 1 do 4,5 milijarde let.
U-Pb datiranje je zapleteno zaradi dveh izotopov v igri, vendar je zaradi te lastnosti tudi tako natančno. Metoda je tudi tehnično zahtevna, saj lahko svinec "pušča" iz številnih vrst kamnin, kar včasih oteži ali onemogoči izračune.
U-Pb datiranje se pogosto uporablja za datiranje magmatskih (vulkanskih) kamnin, kar je težko izvesti zaradi pomanjkanja fosilov; metamorfne kamnine; in zelo stare kamnine. Vse to je težko datirati z drugimi tukaj opisanimi metodami.
Zmenki z rubidijem-stroncijem (Rb-Sr):Radioaktivni rubidij-87 razpade v stroncij-87 s časom razpolovnega obdobja 48,8 milijarde let. Ni presenetljivo, da se datiranje Ru-Sr uporablja za datiranje zelo starih kamnin (pravzaprav starih toliko kot Zemlja, saj je Zemlja stara "le" približno 4,6 milijarde let).
Stroncij obstaja v drugih stabilnih (tj. Ne nagnjenih k razpadanju) izotopih, vključno s stroncijem-86, -88 in -84, v stabilnih količinah v drugih naravnih organizmih, kamninah itd. Ker pa je rubidija-87 v zemeljski skorji veliko, je koncentracija stroncija-87 veliko višja kot v drugih izotopih stroncija.
Znanstveniki lahko nato primerjajo razmerje stroncija-87 v celotni količini stabilnih izotopov stroncija, da izračunajo stopnjo razpada, ki povzroči zaznano koncentracijo stroncija-87.
Ta tehnika se pogosto uporablja do danes magmatske kamnine in zelo stare kamnine.
Zmenki s kalijem-argonom (K-Ar): Radioaktivni kalijev izotop je K-40, ki razpade tako v kalcij (Ca) kot v argon (Ar) v razmerju med 88,8 odstotka kalcija in 11,2 odstotka argona-40.
Argon je plemenit plin, kar pomeni, da ni reaktiven in ne bi bil del začetne tvorbe kamnin ali fosilov. Vsak argon, ki ga najdemo v kamninah ali fosilih, mora biti rezultat tovrstnega radioaktivnega razpada.
Razpolovna doba kalija je 1,25 milijarde let, zato je ta tehnika uporabna za datiranje kamnin vzorcev od približno 100.000 let (v času zgodnjih ljudi) do okoli 4,3 milijarde pred leti. Kalija je v zemlji zelo veliko, zato je odličen za zmenke, saj ga v večini vrst vzorcev najdemo na nekaterih ravneh. Dobro je za datiranje magmatskih kamnin (vulkanske kamnine).
Zmenki Carbon-14 (C-14): Ogljik-14 vstopi v organizme iz ozračja. Ko organizem umre, ne več izotop ogljika-14 lahko vstopi v organizem in začne začeti propadati že od takrat.
Ogljik-14 razpade v dušik-14 v najkrajšem razpolovnem času vseh metod (5.730 let), zaradi česar je idealen za datiranje novih ali nedavnih fosilov. Večinoma se uporablja samo za organske materiale, torej fosile živali in rastlin. Carbon-14 ni mogoče uporabiti za vzorce, starejše od 60.000 let.
Vsa tkiva tkiv živih organizmov imajo v vsakem trenutku enako razmerje med ogljikom-12 in ogljikom-14. Ko organizem umre, kot smo že omenili, preneha z vključevanjem novega ogljika v svoja tkiva in tako nadaljnje razpadanje ogljika-14 v dušik-14 spremeni razmerje med ogljikom-12 in ogljikom-14. S primerjavo razmerja med ogljikom-12 in ogljikom-14 v mrtvi snovi z razmerjem, ko je bil ta organizem živ, lahko znanstveniki ocenijo datum smrti organizma.