Радиометријско датирање: дефиниција, како то функционише, употреба и примери

Ако желите да знате колико неко или нешто има година, обично се можете ослонити на неку комбинацију једноставног постављања питања или гуглања да бисте дошли до тачног одговора. Ово се односи на све, од доба школског друга до броја година постојања Сједињених Држава као суверене државе (243 и рачунајући од 2019. године).

Али шта је са вековима античких предмета, од новооткривеног фосила до самог доба земља сама?

Наравно, можете претраживати Интернет и прилично брзо научити да научни консензус поставља старост планете око 4,6 милијарди година. Али Гоогле није измислио овај број; уместо тога, пружили су је људска домишљатост и примењена физика.

Конкретно, процес тзв радиометријско датирање омогућава научницима да одреде старост предмета, укључујући старост стена, у распону од хиљада година до милијарди година старих, до задивљујућег степена тачности.

Ово се ослања на доказану комбинацију основне математике и знања о физичким својствима различитих хемијских елемената.

Разумети технике радиометријског датирања, прво морате да разумете шта се мери, како се врши мерење и теоријска, као и практична ограничења система мерења који се користи.

Као аналогију реците да се питате: „Колико је топло (или хладно) напољу?“ Оно што овде заправо тражите је температура, што је у основи опис брзине кретања и судара молекула у ваздуху, преведених у прикладан број. Потребан вам је уређај за мерење ове активности (термометар, од којих постоје разне врсте).

Такође треба да знате када можете или не можете да примените одређену врсту уређаја на задати задатак; на пример, ако желите да знате колико је топло на унутрашњости активне пећи на дрва, вероватно то разумете стављање термометра за домаћинство намењеног мерењу телесне температуре унутар пећи неће доказати користан.

Такође имајте на уму да је током многих векова већина људских „знања“ о старости стена, формација попут Великог кањона и све остало око вас било је засновано на Библији у Постанку, која каже да је читав космос можда 10.000 година стар.

Савремене геолошке методе понекад су се показале трновитима суочавајући се са тако популарним, али необичним и научно неподржаним представама.

Радиометријско датирање користи предност чињенице да се састав одређених минерала (стене, фосили и други изузетно издржљиви објекти) временом мења. Конкретно, релативне количине њихових састојака елементи померање на математички предвидљив начин захваљујући феномену тзв радиоактивног распада.

Ово се пак ослања на знање о изотопи, од којих су неки „радиоактивни“ (то јест, спонтано емитују субатомске честице познатом брзином).

Изотопи су различите верзије истог елемента (нпр. угљеник, уранијум, калијум); имају исти број протони, због чега се идентитет елемента не мења, већ различити бројеви неутронима.

• Вероватно ћете срести људе и друге изворе који се методама радиометријског датирања генерички називају „датирање са угљоводоником“ или само „датирање угљеника“. Ово није тачније него позивати се на трке од 5К, 10К и 100 километара као „маратоне“, а научићете и зашто у мало.

Неке ствари у природи нестају са мање или више константном брзином, без обзира на то од чега се започиње и колико остаје. На пример, одређене лекове, укључујући етилни алкохол, тело метаболизује фиксним бројем грама на сат (или било које јединице које су најпогодније). Ако неко има еквивалент од пет пића у свом систему, телу треба пет пута више да очисти алкохол, као што би било да је имао једно пиће у свом систему.

Многе супстанце, међутим, и биолошке и хемијске, одговарају различитим механизмима: у датој временски период, половина супстанце ће нестати у одређеном времену без обзира колико је присутно за почетак са. За такве супстанце се каже да имају полу живот. Радиоактивни изотопи се покоравају овом принципу и имају изузетно различите стопе пропадања.

Корисност овога лежи у могућности да се с лакоћом израчуна колико је дати елемент био присутан у време када је формиран на основу тога колико је присутан у време мерења. То је зато што се претпоставља да се радиоактивни елементи у почетку састоје од једног изотопа.

Како се радиоактивни распад с временом јавља, све више и више овог најчешћег изотопа „пропада“ (тј. Претвара се) у други изотоп или изотопе; ови производи распадања се одговарајуће називају кћерке изотопе.

Замислите да уживате у одређеној врсти сладоледа са укусом чоколадних чипса. Имате подлог, али не нарочито паметног цимера који не воли сам сладолед, али не може да одоли одабирући чипс - и у настојању да избегне откривање, сваки који конзумира замењује са суво грожђе.

Плаши се да то уради са свим чоколадним чипсом, па уместо тога сваког дана превуче половину броја преостале чоколаде чипс и ставља суво грожђе на своје место, никад потпуно не завршавајући своју ђаволску трансформацију вашег десерта, али приближавајући се и ближе.

Реците другом пријатељу који је свестан посета овом аранжману и примећује да ваша кутија сладоледа садржи 70 сувих грожђица и 10 чипса од чоколаде. Она изјављује, "Претпостављам да сте ишли у куповину пре отприлике три дана." Како она то зна?

Једноставно је: Сигурно сте започели са укупно 80 чипса, јер сада имате 70 + 10 = 80 адитива у свом сладоледу. Будући да ваш сустанар поједе половину чипса било ког дана, а не фиксни број, у картону мора да је било 20 чипса дан раније, 40 дан пре тога и 80 дан раније.

Прорачуни који укључују радиоактивне изотопе су формалнији, али следе исти основни принцип: Ако знате време полураспада радиоактивног елемента и можете измерити колики је удео сваког изотопа, можете да утврдите старост фосила, стене или другог ентитета из којег потиче.

За елементе који имају време полураспада се каже да се покоравају а првог реда процес пропадања. Имају оно што је познато као константа брзине, која се обично означава са к. Однос између броја атома присутних на почетку (Н₀), број присутан у тренутку мерења Н протекло време т и константа брзине к могу се записати на два математички еквивалентна начина:

Н = Н₀е^−кт

или

лн [Н / Н₀] = −кт

Поред тога, можда ћете желети да знате активност А узорка, обично се мери у дезинтеграцијама у секунди или дпс. Ово се изражава једноставно као:

А = кт

Не морате знати како се изводе ове једначине, али треба да будете спремни да их користите како бисте решили проблеме који укључују радиоактивне изотопе.

Научници заинтересовани за откривање старости фосила или стене анализирају узорак да би утврдили однос кћерког изотопа (или изотопа) датог радиоактивног елемента према његовом матичном изотопу у томе узорак. Математички, из горњих једначина, ово је Н / Н₀. С обзиром на стопу пропадања елемента, а тиме и на његово полувреме, унапред познато, израчунавање његове старости је једноставно.

Трик је знати који од различитих уобичајених радиоактивних изотопа треба тражити. Ово заузврат зависи од приближне очекиване старости објекта јер се радиоактивни елементи распадају са изузетно различитим брзинама.

Такође, неће сви објекти са којима ће се датирати имати сваки од елемената који се често користе; можете датирати ставке са датом техником датирања само ако укључују потребно једињење или једињења.

Уранијум-оловно (У-Пб) датирање: Радиоактивни уранијум долази у два облика, уранијум-238 и уранијум-235. Број се односи на број протона плус неутрона. Атомски број уранијума је 92, што одговара његовом броју протона. који се распадају у олово-206 односно олово-207.

Полуживот уранијума-238 је 4,47 милијарди година, док је уранијум-235 704 милиона година. Будући да се ови разликују у фактору од готово седам (сетимо се да је милијарда 1.000 пута милион), то представља "проверу" за побрините се да правилно израчунате старост стена или фосила, чинећи ово међу најпрецизнијим радиометријским датирањем методе.

Дуги полураспада чине ову технику датирања погодном за посебно старе материјале, старе од око милион до 4,5 милијарди година.

У-Пб датирање је сложено због два изотопа у игри, али ово својство је такође оно што га чини толико прецизним. Метода је такође технички изазовна јер олово може „исцурити“ из многих врста стена, што понекад отежава или онемогућава прорачуне.

У-Пб датирање се често користи за датирање магматских (вулканских) стена, што може бити тешко извести због недостатка фосила; метаморфне стене; и врло старе стене. Све ово је тешко датирати са осталим овде описаним методама.

Датирање Рубидијум-стронцијум (Рб-Ср):Радиоактивни рубидијум-87 се распада у стронцијум-87 са полуживотом од 48,8 милијарди година. Није изненађујуће што се датирање Ру-Ср користи за датирање врло старих стена (у ствари старих колико и Земља, будући да је Земља стара „само“ око 4,6 милијарди година).

Стронцијум постоји у другим стабилним (тј. Несклоним распадању) изотопима, укључујући стронцијум-86, -88 и -84, у стабилним количинама у другим природним организмима, стенама и тако даље. Али пошто рубидијума-87 има у земљиној кори, концентрација стронцијума-87 је много већа од оне у осталим изотопима стронцијума.

Научници тада могу упоредити однос стронцијума-87 према укупној количини стабилних изотопа стронцијума како би израчунали ниво пропадања који ствара откривену концентрацију стронцијума-87.

Ова техника се често користи до данас магматске стене и врло старе стене.

Калијум-аргон (К-Ар) датирање: Радиоактивни изотоп калијума је К-40, који се распада и у калцијум (Ца) и у аргон (Ар) у омјеру од 88,8 процената калцијума према 11,2 процента аргон-40.

Аргон је племенити гас, што значи да је нереактиван и не би био део почетног формирања било каквих стена или фосила. Било који аргон који се налази у стенама или фосилима мора бити резултат ове врсте радиоактивног распада.

Полувреме калијума је 1,25 милијарди година, што чини ову технику корисном за датирање стена узорци у распону од пре око 100 000 година (током доба раних људи) до око 4,3 милијарде пре много година. Калијума у ​​земљи има врло пуно, што га чини одличним за датирање, јер га има неколико нивоа у већини врста узорака. Добар је за датирање магматских стена (вулканских стена).

Угљеник-14 (Ц-14) датирање: Угљеник-14 улази у организме из атмосфере. Када организам умре, нема више изотоп угљеника-14 може ући у организам и почеће да пропада почев од те тачке.

Угљеник-14 се распада у азот-14 у најкраћем полуживоту свих метода (5.730 година), што га чини савршеним за датирање нових или новијих фосила. Углавном се користи само за органске материјале, односно фосиле животиња и биљака. Царбон-14 се не може користити за узорке старије од 60.000 година.

У било ком тренутку, ткива живих организама имају једнак однос угљеника-12 и угљеника-14. Када организам умре, као што је напоменуто, он престаје да уграђује нови угљеник у своја ткива, и тако накнадно распадање угљеника-14 у односу на азот-14 мења однос угљеника-12 према угљенику-14. Упоређивањем односа угљеника-12 и угљеника-14 у мртвој материји и односа када је тај организам био жив, научници могу да процене датум смрти организма.