Radiometrisk dejting: definition, hur fungerar det, användningsområden och exempel

Om du vill veta hur gammal någon eller något är, kan du i allmänhet lita på en kombination av att bara ställa frågor eller Googling för att komma fram till ett exakt svar. Detta gäller allt från klasskamratens ålder till antalet år USA har funnits som en suverän nation (243 och räknas från och med 2019).

Men hur är det med åldrarna från antikens föremål, från en nyligen upptäckt fossil till den allra äldsta tiden Jorden sig?

Visst, du kan skura på Internet och lära dig ganska snabbt att det vetenskapliga samförståndet stänger planetens ålder ungefär 4,6 miljarder år. Men Google uppfann inte detta nummer; istället har mänsklig uppfinningsrikedom och tillämpad fysik tillhandahållit det.

Specifikt en process som kallas radiometrisk dejting gör det möjligt för forskare att bestämma föremålens åldrar, inklusive stenarnas åldrar, allt från tusentals år gamla till miljarder år gamla till en fantastisk grad av noggrannhet.

Detta bygger på en beprövad kombination av grundläggande matematik och kunskap om de fysikaliska egenskaperna hos olika kemiska element.

Att förstå radiometrisk dating teknikermåste du först ha en förståelse för vad som mäts, hur mätningen görs och de teoretiska såväl som praktiska begränsningarna för det mätningssystem som används.

Som en analogi, säg att du undrar: "Hur varmt (eller kallt) är det ute?" Vad du faktiskt letar efter här är temperatur, som i grunden är en beskrivning av hur snabbt molekyler i luften rör sig och kolliderar med varandra, översatt till ett bekvämt nummer. Du behöver en enhet för att mäta denna aktivitet (en termometer, av vilken det finns olika slag).

Du måste också veta när du kan eller inte kan tillämpa en viss typ av enhet på uppgiften; om du till exempel vill veta hur varmt det är på insidan av en aktiv vedspis, förstår du förmodligen det Att sätta en hushållstermometer avsedd att mäta kroppstemperaturen inuti kaminen kommer inte att bevisa hjälpsam.

Var också medveten om att de flesta mänskliga "kunskaper" i stenåldern, formationer som Grand Canyon och i många århundraden allt annat omkring dig baserades på Genesis-berättelsen i Bibeln, som antyder att hela kosmos kanske är 10.000 år gammal.

Moderna geologiska metoder har ibland visat sig taggiga inför sådana populära men pittoreska och vetenskapligt stödda uppfattningar.

Radiometrisk datering utnyttjar det faktum att sammansättningen av vissa mineraler (stenar, fossiler och andra mycket hållbara föremål) förändras över tiden. Specifikt de relativa mängderna av deras beståndsdel element förändras på ett matematiskt förutsägbart sätt tack vare ett fenomen som kallas radioaktivt avfall.

Detta bygger i sin tur på kunskap om isotopervarav några är "radioaktiva" (det vill säga de avger spontant subatomära partiklar i en känd hastighet).

Isotoper är olika versioner av samma element (t.ex. kol, uran, kalium); de har samma antal protoner, vilket är anledningen till att elementets identitet inte förändras, utan olika antal neutroner.

• Det är troligt att du kommer att stöta på människor och andra källor som hänvisar till radiometriska dateringsmetoder generiskt som "radiocarbon dating" eller bara "kol dejting." Detta är inte mer exakt än att hänvisa till 5K-, 10K- och 100-milslopp som "maraton", och du lär dig varför i en bit.

Vissa saker i naturen försvinner i mer eller mindre konstant takt, oavsett hur mycket det är att börja med och hur mycket som finns kvar. Till exempel metaboliseras vissa läkemedel, inklusive etylalkohol, av kroppen med ett fast antal gram per timme (eller vilka enheter som helst som är mest lämpliga). Om någon har motsvarande fem drycker i sitt system tar kroppen fem gånger så lång tid att rensa alkoholen som om han hade en drink i sitt system.

Många ämnen, dock både biologiska och kemiska, överensstämmer med en annan mekanism: i en given tidsperiod kommer hälften av ämnet att försvinna på en fast tid oavsett hur mycket som är närvarande för att starta med. Sådana ämnen sägs ha en halveringstid. Radioaktiva isotoper följer denna princip och de har väldigt olika sönderfallshastigheter.

Nyttan med detta ligger i att med lätthet kunna beräkna hur mycket av ett visst element som var närvarande vid den tidpunkt det bildades baserat på hur mycket som var närvarande vid mätningstidpunkten. Detta beror på att när radioaktiva element först bildas antas de bestå helt av en enda isotop.

När radioaktivt sönderfall inträffar över tiden, "sönderfaller" (dvs. omvandlas) mer och mer av denna vanligaste isotop till en annan isotop eller isotoper; dessa sönderfallsprodukter kallas på lämpligt sätt dotterisotoper.

Föreställ dig att du njuter av en viss typ av glass smaksatt med chokladflis. Du har en löm, men inte särskilt smart, rumskompis som inte gillar glassen själv men inte kan motstå plocka ut att äta chipsen - och i ett försök att undvika upptäckt ersätter han var och en han konsumerar med en russin.

Han är rädd för att göra detta med alla chokladflisarna, så istället sveper han hälften av antalet kvarvarande choklad flisar och sätter russin på sin plats, aldrig fullbordar hans djävulska omvandling av din efterrätt, men kommer närmare och närmare.

Säg att en andra vän som är medveten om detta arrangemang besöker och märker att din glasskartong innehåller 70 russin och 10 chokladflis. Hon förklarar: "Jag antar att du gick och handlade för ungefär tre dagar sedan." Hur vet hon det här?

Det är enkelt: Du måste ha börjat med totalt 80 marker, eftersom du nu har 70 + 10 = 80 totalt tillsatser till din glass. Eftersom din rumskompis äter hälften av marker varje dag, och inte ett fast antal, måste kartongen ha haft 20 marker dagen innan, 40 dagen innan det och 80 dagen innan det.

Beräkningar som involverar radioaktiva isotoper är mer formella men följer samma grundläggande princip: Om du känner till det radioaktiva elementets halveringstid och kan mäta hur mycket av varje isotop som är närvarande, kan du räkna ut åldern på den fossil, sten eller annan enhet den kommer ifrån.

Element som har halveringstider sägs lyda a första beställning förfallsprocess. De har en så kallad hastighetskonstant, vanligtvis betecknad med k. Förhållandet mellan antalet atomer närvarande i början (N₀), antalet närvarande vid mättidpunkten N den förflutna tiden t och hastighetskonstanten k kan skrivas på två matematiskt ekvivalenta sätt:

N = N₀e^−kt

eller

ln [N / N₀] = −kt

Dessutom kanske du vill veta aktivitet A av ett prov, vanligtvis mätt i sönderfall per sekund eller dps. Detta uttrycks helt enkelt som:

A = kt

Du behöver inte veta hur dessa ekvationer härrör, men du bör vara beredd att använda dem så att du löser problem med radioaktiva isotoper.

Forskare som är intresserade av att räkna ut åldern på en fossil eller sten analyserar ett prov för att bestämma förhållandet mellan ett givet radioaktivt grunds dotterisotop (eller isotoper) och dess moderisotop i det prov. Matematiskt, från ovanstående ekvationer, är detta N / N₀. Med elementets sönderfallshastighet och därmed dess i förväg kända halveringstid är det enkelt att beräkna dess ålder.

Tricket är att veta vilka av de olika vanliga radioaktiva isotoperna att leta efter. Detta beror i sin tur på den ungefärliga förväntade åldern för objektet eftersom radioaktiva ämnen förfaller i enormt olika hastigheter.

Dessutom kommer inte alla objekt som ska dateras att innehålla vart och ett av de vanliga elementen; du kan bara datera objekt med en viss dateringsteknik om de innehåller den eller de föreningar som behövs.

Uranium-bly (U-Pb) dejting: Radioaktivt uran finns i två former, uran-238 och uran-235. Siffran avser antalet protoner plus neutroner. Uraniums atomnummer är 92, vilket motsvarar antalet protoner. som förfaller till bly-206 respektive bly-207.

Halveringstiden för uran-238 är 4,47 miljarder år, medan den för uran-235 är 704 miljoner år. Eftersom dessa skiljer sig åt med en faktor på nästan sju (kom ihåg att en miljard är 1000 gånger en miljon), visar det sig att en "check" se till att du beräknar stenens eller fossilens ålder ordentligt, vilket gör detta till den mest exakta radiometriska dateringen metoder.

De långa halveringstiderna gör denna dateringsteknik lämplig för särskilt gamla material, från cirka 1 miljon till 4,5 miljarder år gammal.

U-Pb-datering är komplicerat på grund av de två isotoperna i spel, men den här egenskapen är också det som gör det så exakt. Metoden är också tekniskt utmanande eftersom bly kan "läcka" ut ur många bergarter, vilket ibland gör beräkningarna svåra eller omöjliga.

U-Pb-datering används ofta för att datera vulkaniska (vulkaniska) bergarter, vilket kan vara svårt att göra på grund av bristen på fossil; metamorfiska stenar; och mycket gamla stenar. Alla dessa är svåra att hämta med de andra metoderna som beskrivs här.

Rubidium-strontium (Rb-Sr) dejting:Radioaktiv rubidium-87 förfaller till strontium-87 med en halveringstid på 48,8 miljarder år. Inte överraskande används Ru-Sr-datering för att datera mycket gamla stenar (så gamla som jorden, faktiskt, eftersom jorden är "bara" cirka 4,6 miljarder år gammal).

Strontium finns i andra stabila (dvs inte benägna att förfalla) isotoper, inklusive strontium-86, -88 och -84, i stabila mängder i andra naturliga organismer, stenar och så vidare. Men eftersom rubidium-87 finns rikligt i jordskorpan är koncentrationen av strontium-87 mycket högre än för de andra isotoperna av strontium.

Forskare kan sedan jämföra förhållandet mellan strontium-87 och den totala mängden stabila strontiumisotoper för att beräkna förfallnivån som producerar den detekterade koncentrationen av strontium-87.

Denna teknik används ofta hittills magma stenar och mycket gamla stenar.

Kalium-argon (K-Ar) dejting: Den radioaktiva kaliumisotopen är K-40, som sönderfaller i både kalcium (Ca) och argon (Ar) i ett förhållande av 88,8 procent kalcium till 11,2 procent argon-40.

Argon är en ädelgas, vilket betyder att den inte är reaktiv och inte skulle vara en del av den ursprungliga bildningen av stenar eller fossiler. Varje argon som finns i stenar eller fossiler måste därför vara resultatet av denna typ av radioaktivt förfall.

Halveringstiden för kalium är 1,25 miljarder år, vilket gör den här tekniken användbar för datering av sten prover från cirka 100 000 år sedan (under tidiga människors ålder) till cirka 4,3 miljarder för flera år sedan. Kalium är mycket rikligt på jorden, vilket gör det bra att dejta eftersom det finns i vissa nivåer i de flesta typer av prover. Det är bra för datering av vulkaniska bergarter.

Kol-14 (C-14) datering: Kol-14 kommer in i organismer från atmosfären. När organismen dör, inte mer av kol-14 isotop kan komma in i organismen, och den kommer att börja förfalla från och med den punkten.

Kol-14 sönderfaller till kväve-14 under den kortaste halveringstiden av alla metoder (5730 år), vilket gör det perfekt för att datera nya eller nya fossiler. Det används oftast endast för organiska material, det vill säga djur- och växtfossiler. Kol-14 kan inte användas för prover äldre än 60 000 år.

Vid varje given tidpunkt har vävnaderna från levande organismer alla samma förhållande mellan kol-12 och kol-14. När en organism dör, som nämnts, slutar den att införliva nytt kol i dess vävnader, och så förändras den efterföljande förfallet av kol-14 till kväve-14 förhållandet mellan kol-12 och kol-14. Genom att jämföra förhållandet mellan kol-12 och kol-14 i döda ämnen med förhållandet när den organismen levde, kan forskare uppskatta datumet för organismens död.