Radiometric Dating: คำจำกัดความ มันทำงานอย่างไร การใช้งาน & ตัวอย่าง

หากคุณต้องการทราบว่าใครบางคนหรือบางสิ่งบางอย่างอายุเท่าไหร่ โดยทั่วไปคุณสามารถพึ่งพาการถามคำถามหรือ Googling ร่วมกันเพื่อให้ได้คำตอบที่ถูกต้อง สิ่งนี้ใช้ได้กับทุกอย่างตั้งแต่อายุของเพื่อนร่วมชั้นจนถึงจำนวนปีที่สหรัฐอเมริกาดำรงอยู่ในฐานะประเทศอธิปไตย (243 และนับ ณ ปี 2019)

แต่สิ่งที่เกี่ยวกับยุคโบราณของวัตถุตั้งแต่ฟอสซิลที่เพิ่งค้นพบจนถึงยุคของ of โลก ตัวเอง?

แน่นอนว่าคุณสามารถท่องอินเทอร์เน็ตและเรียนรู้ได้อย่างรวดเร็วว่าความเห็นพ้องต้องกันทางวิทยาศาสตร์กำหนดอายุของโลกไว้ที่ประมาณ 4.6 พันล้านปี. แต่ Google ไม่ได้ประดิษฐ์ตัวเลขนี้ แทนที่จะเป็นความฉลาดของมนุษย์และฟิสิกส์ประยุกต์ได้จัดเตรียมไว้

โดยเฉพาะกระบวนการที่เรียกว่า การออกเดทแบบเรดิโอเมตริก ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถกำหนดอายุของวัตถุ รวมทั้งอายุของหิน ตั้งแต่อายุนับพันปีจนถึงหลายพันล้านปีจนถึงระดับความแม่นยำที่ยอดเยี่ยม

สิ่งนี้อาศัยการผสมผสานที่พิสูจน์แล้วของคณิตศาสตร์พื้นฐานและความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพขององค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกัน

เข้าใจไหม เทคนิคการออกเดทแบบเรดิโอเมตริกก่อนอื่นคุณต้องมีความเข้าใจในสิ่งที่ถูกวัด วิธีการทำการวัดและทฤษฎีตลอดจนข้อจำกัดในทางปฏิบัติของระบบการวัดที่ใช้

ในการเปรียบเทียบ สมมติว่าคุณพบว่าตัวเองสงสัยว่า "ข้างนอกนั้นอบอุ่น (หรือหนาว) เพียงใด" สิ่งที่คุณกำลังมองหาที่นี่คือ อุณหภูมิซึ่งเป็นคำอธิบายโดยพื้นฐานว่าโมเลกุลในอากาศเคลื่อนที่และชนกันเร็วเพียงใด แปลเป็นตัวเลขที่สะดวก คุณต้องมีอุปกรณ์ในการวัดกิจกรรมนี้ (เทอร์โมมิเตอร์ซึ่งมีอยู่หลายชนิด)

คุณจำเป็นต้องรู้ด้วยว่าเมื่อใดที่คุณสามารถใช้อุปกรณ์บางประเภทกับงานที่ทำได้หรือไม่ได้ เช่น ถ้าอยากรู้ว่าภายในเตาไม้แบบแอคทีฟร้อนแค่ไหน ก็น่าจะเข้าใจนะ การใส่เทอร์โมมิเตอร์ในครัวเรือนที่มีจุดประสงค์เพื่อวัดอุณหภูมิร่างกายภายในเตาจะไม่เป็นการพิสูจน์ เป็นประโยชน์

พึงทราบด้วยว่า ตลอดหลายศตวรรษที่ผ่านมา "ความรู้" ของมนุษย์ส่วนใหญ่เกี่ยวกับยุคหิน การก่อตัว เช่น แกรนด์แคนยอน และ ทุกสิ่งทุกอย่างที่อยู่รอบตัวคุณได้รับการบอกกล่าวในบัญชีปฐมกาลของพระคัมภีร์ซึ่งระบุว่าทั้งจักรวาลอาจมี 10,000 ปี.

วิธีการทางธรณีวิทยาสมัยใหม่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีหนามในบางครั้งเมื่อเผชิญกับแนวคิดที่เป็นที่นิยม แต่แปลกตาและไม่ได้รับการสนับสนุนทางวิทยาศาสตร์

การหาคู่แบบเรดิโอเมตริกใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าองค์ประกอบของแร่ธาตุบางชนิด (หิน ฟอสซิล และวัตถุที่มีความทนทานสูงอื่นๆ) เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา โดยเฉพาะปริมาณสัมพัทธ์ขององค์ประกอบ องค์ประกอบ เปลี่ยนไปในทางที่คาดเดาได้ทางคณิตศาสตร์ด้วยปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การสลายตัวของสารกัมมันตรังสี.

ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความรู้ของ ไอโซโทปซึ่งบางส่วนเป็น "กัมมันตภาพรังสี" (นั่นคือ พวกมันปล่อยอนุภาคย่อยโดยธรรมชาติในอัตราที่ทราบ)

ไอโซโทป เป็นธาตุเดียวกันรุ่นต่างกัน (เช่น คาร์บอน ยูเรเนียม โพแทสเซียม) พวกเขามีจำนวน haveเท่ากัน โปรตอนจึงเป็นเหตุให้เอกลักษณ์ของธาตุไม่เปลี่ยนแปลง แต่ตัวเลขของ. ต่างกัน นิวตรอน.

• คุณมักจะพบผู้คนและแหล่งข้อมูลอื่นๆ ที่อ้างถึงวิธีการหาคู่แบบเรดิโอเมตริกโดยทั่วไปว่า "การหาคู่ด้วยเรดิโอคาร์บอน" หรือเพียงแค่ "การออกเดทคาร์บอน" สิ่งนี้ไม่แม่นยำไปกว่าการอ้างถึงการแข่งขันวิ่ง 5K, 10K และ 100 ไมล์ว่าเป็น "มาราธอน" และคุณจะได้เรียนรู้ว่าทำไมใน นิดหน่อย.

บางสิ่งในธรรมชาติจะหายไปในอัตราที่คงที่ไม่มากก็น้อย ไม่ว่าจะมีจุดเริ่มต้นมากน้อยเพียงใดและเหลืออีกเท่าใด ตัวอย่างเช่น ยาบางชนิด รวมทั้งเอทิลแอลกอฮอล์ ร่างกายจะเผาผลาญด้วยจำนวนกรัมต่อชั่วโมงที่แน่นอน (หรือหน่วยใดก็ตามที่สะดวกที่สุด) หากมีคนดื่มห้าแก้วในระบบของเขา ร่างกายจะใช้เวลาห้าเท่าในการล้างแอลกอฮอล์ เหมือนกับว่าเขาดื่มหนึ่งแก้วในระบบของเขา

อย่างไรก็ตาม สารหลายชนิดทั้งทางชีววิทยาและเคมี สอดคล้องกับกลไกที่แตกต่างกัน: สารครึ่งหนึ่งจะหายไปในเวลาที่กำหนดไม่ว่าจะมีปริมาณเท่าใดจึงจะเริ่ม ด้วย. สารดังกล่าวมี ครึ่งชีวิต. ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีปฏิบัติตามหลักการนี้ และมีอัตราการสลายที่แตกต่างกันอย่างมาก

ประโยชน์ของสิ่งนี้อยู่ที่ความสามารถในการคำนวณได้อย่างง่ายดายว่าองค์ประกอบที่กำหนดมีอยู่ในขณะที่มันถูกสร้างขึ้นโดยพิจารณาจากจำนวนที่มีอยู่ในขณะที่ทำการวัด เนื่องจากเมื่อองค์ประกอบกัมมันตภาพรังสีเกิดขึ้นครั้งแรก สันนิษฐานว่าประกอบด้วยไอโซโทปเดี่ยวทั้งหมด

เมื่อการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีเกิดขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ไอโซโทป "สลายตัว" ที่พบบ่อยที่สุด (เช่น ถูกแปลง) ให้กลายเป็นไอโซโทปหรือไอโซโทปที่แตกต่างกัน ผลิตภัณฑ์ที่เน่าเปื่อยเหล่านี้เรียกว่าอย่างเหมาะสม ไอโซโทปลูกสาว.

ลองนึกภาพว่าคุณชอบไอศกรีมรสช็อกโกแลตชิป คุณมีรูมเมทที่เจ้าเล่ห์แต่ไม่ฉลาดเป็นพิเศษที่ไม่ชอบไอศกรีมแต่ก็ต้านทานไม่ได้ การเลือกกินมันฝรั่งทอด – และเพื่อหลีกเลี่ยงการตรวจจับ เขาแทนที่แต่ละอันที่เขากินด้วย with ลูกเกด.

เขากลัวที่จะทำสิ่งนี้กับช็อกโกแลตชิปทั้งหมด ดังนั้นในแต่ละวัน เขาจึงกวาดช็อกโกแลตที่เหลือครึ่งหนึ่งแทน มันฝรั่งทอดและใส่ลูกเกดแทน ไม่เคยเสร็จสิ้นการเปลี่ยนแปลงอันโหดร้ายของขนมของคุณ แต่เข้าใกล้และ ใกล้ชิด

สมมติว่าเพื่อนคนที่สองที่ทราบข้อตกลงนี้มาเยี่ยมและสังเกตว่ากล่องไอศกรีมของคุณประกอบด้วยลูกเกด 70 ลูกและช็อกโกแลตชิป 10 อัน เธอประกาศว่า "ฉันเดาว่าคุณไปช้อปปิ้งเมื่อสามวันก่อน" เธอรู้เรื่องนี้ได้ยังไง?

ง่ายมาก: คุณต้องเริ่มต้นด้วยชิปทั้งหมด 80 ชิป เพราะตอนนี้คุณมีสารเติมแต่งทั้งหมด 70 + 10 = 80 ในไอศกรีมของคุณ เนื่องจากเพื่อนร่วมห้องของคุณกินชิปครึ่งหนึ่งในวันที่กำหนด ไม่ใช่จำนวนที่แน่นอน กล่องนั้นต้องมี 20 ชิปในวันก่อน 40 วันก่อนนั้นและ 80 วันก่อนนั้น

การคำนวณที่เกี่ยวข้องกับไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีมีความเป็นทางการมากกว่าแต่ใช้หลักการพื้นฐานเดียวกัน: หากคุณทราบค่าครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตภาพรังสีและสามารถวัดได้ว่าไอโซโทปแต่ละชนิดมีมากน้อยเพียงใด คุณจะสามารถหาอายุของฟอสซิล หิน หรือเอนทิตีอื่นๆ ที่มันมาจาก

ธาตุที่มีครึ่งชีวิตกล่าวกันว่าเชื่อฟัง คำสั่งแรก กระบวนการสลายตัว พวกมันมีสิ่งที่เรียกว่าค่าคงที่อัตรา ซึ่งมักแสดงด้วย k ความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนอะตอมที่จุดเริ่มต้น (N₀) จำนวนที่มีอยู่ในขณะที่ทำการวัด N เวลาที่ผ่านไป t และค่าคงที่อัตรา k สามารถเขียนได้สองวิธีเทียบเท่าทางคณิตศาสตร์:

ยังไม่มีข้อความ = ยังไม่มีข้อความ₀อี^−kt

หรือ

ln[N/N₀] = −kt

นอกจากนี้ คุณอาจต้องการทราบ know กิจกรรม ของตัวอย่าง ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะวัดเป็นการสลายตัวต่อวินาทีหรือ dps นี่แสดงได้ง่ายๆดังนี้:

A = kt

คุณไม่จำเป็นต้องรู้ว่าสมการเหล่านี้ได้มาอย่างไร แต่คุณควรเตรียมที่จะใช้สมการเหล่านี้เพื่อแก้ปัญหาเกี่ยวกับไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี

นักวิทยาศาสตร์สนใจที่จะหาอายุของฟอสซิลหรือหิน วิเคราะห์ตัวอย่างเพื่อหาค่า อัตราส่วนของไอโซโทปลูกสาวของธาตุกัมมันตรังสี (หรือไอโซโทป) ต่อไอโซโทปต้นกำเนิดในนั้น ตัวอย่าง. ในทางคณิตศาสตร์ จากสมการข้างต้น จะได้ N/N₀. ด้วยอัตราการสลายตัวของธาตุและด้วยเหตุนี้ครึ่งชีวิตจึงทราบล่วงหน้า การคำนวณอายุของธาตุนั้นตรงไปตรงมา

เคล็ดลับคือการรู้ว่าไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีทั่วไปชนิดใดที่ควรมองหา ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับอายุโดยประมาณของวัตถุเนื่องจากธาตุกัมมันตภาพรังสีสลายตัวในอัตราที่แตกต่างกันอย่างมาก

นอกจากนี้ ไม่ใช่ทุกวัตถุที่จะลงวันที่จะมีแต่ละองค์ประกอบที่ใช้กันทั่วไป คุณสามารถออกเดทกับรายการด้วยเทคนิคการออกเดทที่กำหนดได้ก็ต่อเมื่อพวกมันรวมสารประกอบหรือสารประกอบที่จำเป็น

ยูเรเนียมตะกั่ว (U-Pb) ออกเดท: ยูเรเนียมกัมมันตภาพรังสีมีสองรูปแบบคือ ยูเรเนียม-238 และยูเรเนียม-235 ตัวเลขหมายถึงจำนวนโปรตอนบวกนิวตรอน เลขอะตอมของยูเรเนียมคือ 92 ซึ่งตรงกับจำนวนโปรตอน ซึ่งสลายตัวเป็นตะกั่ว-206 และตะกั่ว-207 ตามลำดับ

ครึ่งชีวิตของยูเรเนียม-238 อยู่ที่ 4.47 พันล้านปี ในขณะที่ยูเรเนียม-235 อยู่ที่ 704 ล้านปี เพราะสิ่งเหล่านี้ต่างกันเกือบเจ็ดเท่า (จำได้ว่า 1 พันล้านเป็น 1,000 เท่าของล้าน) จึงเป็นการพิสูจน์ว่า "เช็ค" ได้ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณกำลังคำนวณอายุของหินหรือฟอสซิลอย่างถูกต้อง ทำให้นี่เป็นการนัดหมายแบบเรดิโอเมทริกซ์ที่แม่นยำที่สุด วิธีการ

ครึ่งชีวิตที่ยาวนานทำให้เทคนิคการออกเดทนี้เหมาะสำหรับวัสดุเก่าโดยเฉพาะ ตั้งแต่ประมาณ 1 ล้านถึง 4.5 พันล้านปี

การออกเดท U-Pb นั้นซับซ้อนเนื่องจากไอโซโทปทั้งสองกำลังเล่นอยู่ แต่คุณสมบัตินี้ก็เป็นสิ่งที่ทำให้มันแม่นยำเช่นกัน วิธีการนี้ยังมีความท้าทายทางเทคนิคอีกด้วย เนื่องจากตะกั่วสามารถ "รั่ว" ออกจากหินได้หลายประเภท ซึ่งบางครั้งทำให้การคำนวณทำได้ยากหรือเป็นไปไม่ได้

การหาคู่แบบ U-Pb มักใช้กับหินอัคนี (ภูเขาไฟ) ซึ่งทำได้ยากเนื่องจากไม่มีฟอสซิล หินแปร; และหินเก่ามาก สิ่งเหล่านี้ยากต่อการอัพเดทด้วยวิธีอื่นๆ ที่อธิบายไว้ที่นี่

รูบิเดียมสตรอนเทียม (Rb-Sr) การออกเดท:กัมมันตรังสี รูบิเดียม-87 สลายตัวเป็นสตรอนเทียม-87 โดยมีครึ่งชีวิต 48.8 พันล้านปี ไม่น่าแปลกใจเลยที่ Ru-Sr เดทกับหินที่เก่ามาก (อันที่จริงแล้วอายุเท่ากับโลกเนื่องจากโลกมีอายุ "เท่านั้น" ประมาณ 4.6 พันล้านปี)

สตรอนเทียมมีอยู่ในไอโซโทปเสถียรอื่นๆ (กล่าวคือ ไม่เน่าเปื่อย) รวมถึงสตรอนเทียม-86, -88 และ -84 ในปริมาณคงที่ในสิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติอื่นๆ หิน และอื่นๆ แต่เนื่องจากรูบิเดียม-87 มีมากในเปลือกโลก ความเข้มข้นของสตรอนเทียม-87 จึงมีความเข้มข้นสูงกว่าไอโซโทปอื่นๆ ของสตรอนเทียมมาก

นักวิทยาศาสตร์สามารถเปรียบเทียบอัตราส่วนของสตรอนเทียม-87 กับปริมาณไอโซโทปสตรอนเทียมที่เสถียรทั้งหมดเพื่อคำนวณระดับการสลายตัวที่สร้างความเข้มข้นของสตรอนเทียม-87 ที่ตรวจพบได้

เทคนิคนี้มักใช้กันในปัจจุบัน หินอัคนี และหินเก่ามาก

โพแทสเซียม-อาร์กอน (K-Ar) เดท: ไอโซโทปโพแทสเซียมกัมมันตภาพรังสีคือ K-40 ซึ่งสลายตัวเป็นทั้งแคลเซียม (Ca) และอาร์กอน (Ar) ในอัตราส่วนแคลเซียม 88.8 เปอร์เซ็นต์ ต่ออาร์กอน-40 11.2 เปอร์เซ็นต์

อาร์กอนเป็นก๊าซมีตระกูล ซึ่งหมายความว่าไม่มีปฏิกิริยาและจะไม่เป็นส่วนหนึ่งของการก่อตัวของหินหรือฟอสซิลในขั้นต้น อาร์กอนใด ​​ๆ ที่พบในหินหรือฟอสซิลจะต้องเป็นผลมาจากการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีชนิดนี้

โพแทสเซียมมีครึ่งชีวิต 1.25 พันล้านปี ทำให้เทคนิคนี้มีประโยชน์สำหรับการออกเดทร็อค ตัวอย่างตั้งแต่ประมาณ 100,000 ปีที่แล้ว (ในช่วงอายุของมนุษย์ยุคแรก) ถึงประมาณ 4.3 พันล้าน ปีที่แล้ว โพแทสเซียมมีอยู่มากในโลก ทำให้เหมาะสำหรับการออกเดทเพราะพบได้ในบางระดับในตัวอย่างส่วนใหญ่ เหมาะสำหรับการนัดหมายกับหินอัคนี (หินภูเขาไฟ)

Carbon-14 (C-14) การออกเดท: คาร์บอน-14 เข้าสู่สิ่งมีชีวิตจากชั้นบรรยากาศ เมื่อสิ่งมีชีวิตตาย จะไม่มี. อีกต่อไป ไอโซโทปคาร์บอน-14 สามารถเข้าสู่ร่างกายได้ และจะเริ่มสลายตัวเมื่อถึงจุดนั้น

คาร์บอน-14 สลายตัวเป็นไนโตรเจน-14 ในครึ่งชีวิตที่สั้นที่สุดของวิธีการทั้งหมด (5,730 ปี) ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับการหาคู่ฟอสซิลใหม่หรือล่าสุด ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับวัสดุอินทรีย์เท่านั้น กล่าวคือ ฟอสซิลของสัตว์และพืช ไม่สามารถใช้ Carbon-14 กับตัวอย่างที่มีอายุมากกว่า 60,000 ปี

ในช่วงเวลาใดก็ตาม เนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดมีอัตราส่วนคาร์บอน-12 ต่อคาร์บอน-14 เท่ากัน เมื่อสิ่งมีชีวิตตายตามที่ระบุไว้ มันจะหยุดการรวมคาร์บอนใหม่เข้ากับเนื้อเยื่อของมัน ดังนั้นการสลายตัวของคาร์บอน-14 ต่อไนโตรเจน-14 ที่ตามมาจะเปลี่ยนอัตราส่วนของคาร์บอน-12 เป็นคาร์บอน-14 โดยการเปรียบเทียบอัตราส่วนของคาร์บอน -12 กับคาร์บอน-14 ในสสารที่ตายแล้วกับอัตราส่วนเมื่อสิ่งมีชีวิตนั้นยังมีชีวิตอยู่ นักวิทยาศาสตร์สามารถประมาณวันที่ของการตายของสิ่งมีชีวิตได้