Radyometrik Tarihleme: Tanım, Nasıl Çalışır, Kullanımlar ve Örnekler

Birinin veya bir şeyin kaç yaşında olduğunu bilmek istiyorsanız, doğru bir cevaba ulaşmak için genellikle sadece soru sorma veya Google'ın bazı kombinasyonlarına güvenebilirsiniz. Bu, bir sınıf arkadaşının yaşından Amerika Birleşik Devletleri'nin egemen bir ulus olarak var olduğu yılların sayısına (243 ve 2019 itibariyle sayılıyor) kadar her şey için geçerlidir.

Peki ya yeni keşfedilen bir fosilden, antik çağın nesnelerinin çağlarına ne demeli? Dünya kendisi?

Elbette, İnternet'i araştırabilir ve bilimsel fikir birliğinin gezegenin yaşını yaklaşık olarak belirlediğini oldukça hızlı bir şekilde öğrenebilirsiniz. 4.6 milyar yıl. Ancak bu sayıyı Google icat etmedi; bunun yerine, insan yaratıcılığı ve uygulamalı fizik bunu sağlamıştır.

Özellikle, adı verilen bir süreç radyometrik tarihleme bilim adamlarının, kayaların yaşları da dahil olmak üzere, binlerce yıldan milyarlarca yıla kadar olağanüstü bir doğruluk derecesine kadar değişen nesnelerin yaşlarını belirlemesine olanak tanır.

Bu, kanıtlanmış bir temel matematik kombinasyonuna ve farklı kimyasal elementlerin fiziksel özelliklerine ilişkin bilgilere dayanır.

Anlamak radyometrik tarihleme teknikleri, öncelikle neyin ölçüldüğünü, ölçümün nasıl yapıldığını ve kullanılan ölçüm sisteminin teorik ve pratik sınırlamalarını anlamanız gerekir.

Bir benzetme olarak, "Dışarısı ne kadar sıcak (veya soğuk)?" diye merak ettiğinizi söyleyin. Aslında burada aradığınız şey sıcaklıkTemel olarak, havadaki moleküllerin ne kadar hızlı hareket ettiğinin ve birbirleriyle çarpıştığının bir açıklaması olan, uygun bir sayıya çevrilmiştir. Bu aktiviteyi ölçmek için bir cihaza ihtiyacınız var (çeşitli çeşitleri bulunan bir termometre).

Eldeki göreve belirli bir cihaz türünü ne zaman uygulayabileceğinizi veya uygulayamayacağınızı da bilmeniz gerekir; örneğin, aktif bir odun sobasının içinin ne kadar sıcak olduğunu bilmek istiyorsanız, muhtemelen bunu anlamışsınızdır. sobanın içine vücut sıcaklığını ölçmek için tasarlanmış bir ev termometresi koymak kanıtlamaz. faydalı.

Ayrıca, yüzyıllar boyunca, kayaların çağına, Büyük Kanyon gibi oluşumlara ilişkin çoğu insan "bilgisinin" ve etrafınızdaki diğer her şey, tüm kozmosun belki de 10.000 olduğunu varsayan İncil'in Tekvin kaydına dayanıyordu. yaşında.

Modern jeolojik yöntemler, bu kadar popüler ancak tuhaf ve bilimsel olarak desteklenmeyen kavramlar karşısında zaman zaman çetrefilli olduğunu kanıtlamıştır.

Radyometrik tarihleme, belirli minerallerin (kayalar, fosiller ve diğer oldukça dayanıklı nesneler) bileşiminin zamanla değişmesi gerçeğinden yararlanır. Spesifik olarak, bileşenlerinin nispi miktarları elementler adı verilen bir fenomen sayesinde matematiksel olarak tahmin edilebilir bir şekilde kayma radyoaktif bozunma.

Bu da bilgisine dayanır izotoplarbazıları "radyoaktif" (yani, bilinen bir hızda kendiliğinden atom altı parçacıklar yayarlar).

izotoplar aynı elementin farklı versiyonları (örn. karbon, uranyum, potasyum); aynı sayıya sahipler protonlar, bu nedenle öğenin kimliği değişmez, ancak farklı sayılar nötronlar.

• Radyometrik tarihleme yöntemlerine jenerik olarak "radyokarbon tarihleme" olarak atıfta bulunan insanlarla ve diğer kaynaklarla karşılaşmanız olasıdır. "karbon tarihlemesi." Bu, 5K, 10K ve 100 millik koşu yarışlarına "maraton" demekten daha doğru değildir ve nedenini bir bit.

Doğada bazı şeyler, başlangıçta ne kadar kaldığına ve ne kadar kaldığına bakılmaksızın, aşağı yukarı sabit bir oranda yok olur. Örneğin, etil alkol de dahil olmak üzere bazı ilaçlar, vücut tarafından saatte sabit bir gram miktarında (veya en uygun birim hangisiyse) metabolize edilir. Bir kişinin vücudunda beş içkiye eşdeğer bir şey varsa, vücudun alkolü temizlemesi, sisteminde bir içki içmiş olmasına göre beş kat daha uzun sürer.

Bununla birlikte, hem biyolojik hem de kimyasal birçok madde farklı bir mekanizmaya uyar: Belirli bir zaman periyodunda, başlamak için ne kadar mevcut olursa olsun, maddenin yarısı sabit bir sürede kaybolacaktır. ile. Bu tür maddelere sahip olduğu söylenir. yarım hayat. Radyoaktif izotoplar bu prensibe uyarlar ve çılgınca farklı bozunma oranlarına sahiptirler.

Bunun faydası, ölçüm anında ne kadar mevcut olduğuna bağlı olarak belirli bir elementin ne kadarının oluşturulduğu anda mevcut olduğunu kolaylıkla hesaplayabilmekte yatmaktadır. Bunun nedeni, radyoaktif elementlerin ilk ortaya çıktıklarında tamamen tek bir izotoptan oluştuğunun varsayılmasıdır.

Zamanla radyoaktif bozunma meydana geldikçe, bu en yaygın izotopun giderek daha fazlası farklı bir izotop veya izotopa "bozunur" (yani dönüştürülür); bu bozunma ürünleri uygun şekilde kız izotopları.

Çikolata parçalarıyla tatlandırılmış belirli bir tür dondurmadan hoşlandığınızı hayal edin. Dondurmanın kendisini sevmeyen ama karşı koyamayan sinsi ama özellikle zeki olmayan bir oda arkadaşın var. cipsleri yemeyi seçiyor - ve tespit edilmekten kaçınmak için tükettiği her şeyi bir cipsle değiştiriyor. kuru üzüm.

Bunu tüm çikolata parçalarıyla yapmaktan korkuyor, bu yüzden her gün kalan çikolata sayısının yarısını kaydırıyor. cipsler ve kuru üzümleri yerlerine koyar, tatlınızdaki şeytani dönüşümünü asla tam olarak tamamlamaz, ancak daha da yakınlaşır ve daha yakın.

Diyelim ki bu düzenlemeden haberdar olan ikinci bir arkadaşınız ziyarete geldi ve bir karton kutu dondurmanızda 70 adet kuru üzüm ve 10 adet damla çikolata olduğunu fark etti. "Sanırım üç gün önce alışverişe gittin," diyor. Bunu nasıl biliyor?

Çok basit: Toplam 80 cipsle başlamış olmalısınız, çünkü artık dondurmanızda toplam 70 + 10 = 80 katkı maddesi var. Oda arkadaşınız sabit bir sayı değil de herhangi bir günde cipslerin yarısını yediğinden, kartonun bir gün önce 20, ondan önceki gün 40 ve ondan önceki gün 80 fiş tutması gerekir.

Radyoaktif izotopları içeren hesaplamalar daha resmidir ancak aynı temel ilkeyi takip eder: Radyoaktif elementin yarı ömrünü biliyorsanız ve her izotopun ne kadarının mevcut olduğunu ölçebiliyorsanız, geldiği fosilin, kayanın veya başka bir varlığın yaşını öğrenebilirsiniz.

Yarı ömürleri olan elementlerin bir kurala uyduğu söylenir. birinci derece çürüme süreci. Genellikle k ile gösterilen hız sabiti olarak bilinen şeye sahiptirler. Başlangıçta bulunan atom sayısı arasındaki ilişki (N₀), ölçüm anında mevcut olan sayı N geçen zaman t ve hız sabiti k matematiksel olarak eşdeğer iki şekilde yazılabilir:

N = N₀e^-kt

veya

ln[N/N₀] = -kt

Ek olarak, bilmek isteyebilirsiniz aktivite Bir numunenin A'sı, tipik olarak saniyedeki parçalanma sayısı veya dps cinsinden ölçülür. Bu basitçe şu şekilde ifade edilir:

bir = kt

Bu denklemlerin nasıl türetildiğini bilmenize gerek yok, ancak radyoaktif izotopları içeren problemleri çözmek için bunları kullanmaya hazır olmalısınız.

Bir fosilin veya kayanın yaşını bulmakla ilgilenen bilim adamları, belirli bir radyoaktif elementin kız izotopunun (veya izotoplarının) ana izotopuna oranı örneklem. Matematiksel olarak, yukarıdaki denklemlerden, bu N/N₀. Elementin bozunma hızı ve dolayısıyla önceden bilinen yarı ömrü ile, yaşını hesaplamak kolaydır.

İşin püf noktası, çeşitli yaygın radyoaktif izotoplardan hangisini arayacağınızı bilmektir. Bu da cismin yaklaşık beklenen yaşına bağlıdır çünkü radyoaktif elementler çok farklı oranlarda bozunur.

Ayrıca, tarihlendirilecek tüm nesneler, yaygın olarak kullanılan öğelerin her birine sahip olmayacaktır; Belirli bir tarihleme tekniğine sahip öğeleri yalnızca gerekli bileşik veya bileşikleri içeriyorsa tarihlendirebilirsiniz.

Uranyum-kurşun (U-Pb) tarihleme: Radyoaktif uranyum, uranyum-238 ve uranyum-235 olmak üzere iki şekilde gelir. Sayı, proton artı nötron sayısını ifade eder. Uranyumun atom numarası, proton sayısına karşılık gelen 92'dir. sırasıyla kurşun-206 ve kurşun-207'ye dönüşür.

Uranyum-238'in yarı ömrü 4.47 milyar yıldır, uranyum-235'inki ise 704 milyon yıldır. Bunlar neredeyse yedi kat farklılık gösterdiğinden (bir milyarın milyonda 1000 kez olduğunu hatırlayın), bu bir "kontrol" olduğunu kanıtlar. Kayanın veya fosilin yaşını doğru bir şekilde hesapladığınızdan emin olun, bunu en kesin radyometrik tarihlemelerden biri yapın. yöntemler.

Uzun yarı ömürleri, bu tarihleme tekniğini özellikle 1 milyon ila 4,5 milyar yıllık eski malzemeler için uygun kılmaktadır.

U-Pb tarihleme, oyundaki iki izotop nedeniyle karmaşıktır, ancak bu özellik aynı zamanda onu bu kadar kesin yapan şeydir. Yöntem teknik olarak da zordur, çünkü kurşun birçok kaya türünden "sızabilir", bu da bazen hesaplamaları zorlaştırır veya imkansız hale getirir.

U-Pb tarihlemesi, fosil eksikliğinden dolayı yapılması zor olabilen magmatik (volkanik) kayaları tarihlemek için sıklıkla kullanılır; metamorfik kayaçlar; ve çok eski kayalar. Bunların tümü, burada açıklanan diğer yöntemlerle bugüne kadar zor.

Rubidyum-stronsiyum (Rb-Sr) tarihleme:Radyoaktif rubidyum-87, 48.8 milyar yıllık bir yarı ömre sahip stronsiyum-87'ye bozunur. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, Ru-Sr tarihlemesi çok eski kayaları tarihlemek için kullanılır (aslında Dünya "yalnızca" 4.6 milyar yaşında olduğu için Dünya kadar eskidir).

Stronsiyum, stronsiyum-86, -88 ve -84 dahil olmak üzere diğer kararlı (yani çürümeye eğilimli olmayan) izotoplarda, diğer doğal organizmalarda, kayalarda ve benzerlerinde kararlı miktarlarda bulunur. Ancak rubidyum-87, yerkabuğunda bol miktarda bulunduğundan, stronsiyum-87'nin konsantrasyonu, diğer stronsiyum izotoplarından çok daha yüksektir.

Bilim adamları daha sonra tespit edilen stronsiyum-87 konsantrasyonunu üreten bozunma seviyesini hesaplamak için stronsiyum-87'nin toplam kararlı stronsiyum izotop miktarına oranını karşılaştırabilirler.

Bu teknik bugüne kadar sıklıkla kullanılmaktadır. volkanik taşlar ve çok eski kayalar.

Potasyum-argon (K-Ar) tarihlemesi: Radyoaktif potasyum izotopu, yüzde 88.8 kalsiyum ile yüzde 11,2 argon-40 oranında hem kalsiyum (Ca) hem de argona (Ar) bozunan K-40'tır.

Argon bir soy gazdır, yani reaktif değildir ve herhangi bir kaya veya fosilin ilk oluşumunun bir parçası olmayacaktır. Bu nedenle, kayalarda veya fosillerde bulunan herhangi bir argon, bu tür radyoaktif bozunmanın sonucu olmak zorundadır.

Potasyumun yarı ömrü 1,25 milyar yıldır, bu da bu tekniği kayaların tarihlenmesinde faydalı kılıyor. yaklaşık 100.000 yıl öncesinden (ilk insan çağında) yaklaşık 4,3 milyar yıl öncesine kadar değişen örnekler Yıllar önce. Potasyum, Dünya'da çok bol miktarda bulunur, bu da onu tarihleme için harika kılar çünkü çoğu numune türünde bazı seviyelerde bulunur. Magmatik kayaçlarla (volkanik kayaçlar) çıkmak için iyidir.

Karbon-14 (C-14) tarihleme: Karbon-14 organizmalara atmosferden girer. Organizma öldüğünde, artık karbon-14 izotopu organizmaya girebilir ve o noktadan itibaren bozulmaya başlayacaktır.

Karbon-14, tüm yöntemlerin en kısa yarı ömründe (5.730 yıl) nitrojen-14'e bozunur, bu da onu yeni veya yakın tarihli fosillerin tarihlenmesi için mükemmel kılar. Çoğunlukla sadece organik maddeler, yani hayvan ve bitki fosilleri için kullanılır. Karbon-14, 60.000 yıldan daha eski örnekler için kullanılamaz.

Herhangi bir zamanda, canlı organizmaların dokularının hepsi aynı karbon-12 ile karbon-14 oranına sahiptir. Bir organizma öldüğünde, belirtildiği gibi, dokularına yeni karbon eklemeyi durdurur ve böylece karbon-14'ün nitrojen-14'e sonraki bozunması, karbon-12'nin karbon-14'e oranını değiştirir. Bilim adamları, ölü maddedeki karbon-12'nin karbon-14'e oranını, o organizmanın hayatta olduğu oran ile karşılaştırarak, organizmanın ölüm tarihini tahmin edebilirler.