Радіометричне знайомство: визначення, як це працює, використання та приклади

Якщо ви хочете знати, скільки років комусь чи чомусь, ви можете, як правило, покластися на якусь комбінацію простих питань чи гуглювання, щоб отримати точну відповідь. Це стосується всього, починаючи з віку однокласника і закінчуючи роками існування США як суверенної нації (243 і з урахуванням 2019 року).

Але як щодо віків об’єктів античності, від нещодавно виявлених скам’янілостей до самого століття Земля сам?

Звичайно, ви можете переглядати Інтернет і досить швидко дізнатися, що науковий консенсус закріплює вік планети приблизно 4,6 мільярда років. Але Google не винайшов цього числа; натомість людська винахідливість та прикладна фізика забезпечили це.

Зокрема, процес називається радіометричне датування дозволяє вченим визначати вік об'єктів, включаючи вік гірських порід, від тисячі років до мільярдів років до дивовижного ступеня точності.

Це спирається на перевірене поєднання базової математики та знань про фізичні властивості різних хімічних елементів.

Зрозуміти методи радіометричного датування, спочатку ви повинні мати розуміння того, що вимірюється, як проводиться вимірювання, а також теоретичні та практичні обмеження системи вимірювань, що використовується.

Як аналогію, скажімо, вам стає цікаво: "Наскільки тепло (чи холодно) на вулиці?" Те, що ви насправді тут шукаєте, це температури, що є принципово описом того, як швидко молекули в повітрі рухаються і стикаються одна з одною, перекладаючись у зручне число. Вам потрібен прилад для вимірювання цієї активності (термометр, якого існують різні види).

Ви також повинні знати, коли можна або не можна застосувати певний тип пристрою до вирішення завдання; наприклад, якщо ви хочете знати, як жарко на внутрішній стороні активної дров’яної печі, ви, мабуть, це розумієте Покладання побутового термометра, призначеного для вимірювання температури тіла всередині печі, не доведе корисно.

Також майте на увазі, що протягом багатьох століть більшість людських "знань" про вік гірських порід, утворень, таких як Великий Каньйон, та все інше навколо вас було засновано на книзі Буття в Біблії, яка стверджує, що весь космос, можливо, 10 000 років.

Сучасні геологічні методи часом виявляються тернистими перед такими популярними, але химерними та науково не підтвердженими уявленнями.

Радіометричне датування використовує той факт, що склад деяких мінералів (гірських порід, скам’янілостей та інших високоміцних об’єктів) з часом змінюється. Зокрема, відносні кількості їх складових елементів зрушення математично передбачуваним чином завдяки явищу, яке називається радіоактивний розпад.

Це, в свою чергу, покладається на знання ізотопи, деякі з яких є «радіоактивними» (тобто вони спонтанно виділяють субатомні частинки з відомою швидкістю).

Ізотопи є різними версіями одного і того ж елемента (наприклад, вуглець, уран, калій); вони мають однакову кількість протони, саме тому ідентичність елемента не змінюється, а різне число нейтрони.

• Ви, швидше за все, стикаєтесь з людьми та іншими джерелами, які позначають методи радіометричного датування загалом як "радіовуглецеві дати" або просто "датування вуглецю". Це не точніше, ніж називати бігові перегони 5К, 10К та 100 миль як "марафони", і ви дізнаєтесь, чому в біт.

Деякі речі в природі зникають з більш-менш постійною швидкістю, незалежно від того, з чого починати і скільки залишається. Наприклад, деякі ліки, включаючи етиловий спирт, метаболізуються організмом із встановленою кількістю грамів на годину (або будь-які одиниці, які є найбільш зручними). Якщо хтось має еквівалент п’яти напоїв у своїй системі, тіло займає п’ять разів більше часу, щоб очистити алкоголь, ніж це було б, якби в його системі був один напій.

Однак багато речовин, як біологічних, так і хімічних, відповідають різному механізму: в даному Протягом періоду половина речовини зникне за встановлений час, незалежно від того, скільки є для початку з. Кажуть, що такі речовини мають a півжиття. Радіоактивні ізотопи підкоряються цьому принципу, і вони мають дико різну швидкість розпаду.

Корисність цього полягає в тому, що можна легко розрахувати, яка кількість даного елемента була присутня на момент його формування, виходячи із того, яка кількість присутня на момент вимірювання. Це пояснюється тим, що коли радіоактивні елементи з’являються вперше, передбачається, що вони повністю складаються з одного ізотопу.

Оскільки радіоактивний розпад відбувається з часом, все більше і більше цього найпоширенішого ізотопу «розпадається» (тобто перетворюється) в інший ізотоп або ізотопи; ці продукти розпаду називаються належним чином дочірні ізотопи.

Уявіть, що вам подобається певний вид морозива зі смаком шоколадної стружки. У вас є підлий, але не особливо розумний сусід по кімнаті, який не любить саме морозиво, але не може встояти вибираючи їдять чіпси - і, намагаючись уникнути виявлення, він замінює кожен, який він споживає, на родзинки.

Він боїться робити це з усіма шоколадними чіпсами, тож замість цього щодня пробирає половину кількості шоколаду, що залишився чіпси і ставить родзинки на їх місце, ніколи не повністю завершуючи свою диявольську трансформацію вашого десерту, але наближаючись і ближче.

Скажіть, другий друг, який знає про відвідування цієї домовленості, і зауважує, що ваша коробка морозива містить 70 ізюму та 10 шоколадних чіпсів. Вона заявляє: "Думаю, ти ходив по магазинах близько трьох днів тому". Звідки вона це знає?

Це просто: Ви, мабуть, почали з загальної кількості 80 чіпсів, адже тепер у вашому морозиві є 70 + 10 = 80 добавок. Оскільки ваш сусід по кімнаті з'їдає половину фішок у будь-який день, а не фіксовану кількість, в коробці повинно було бути 20 фішок напередодні, 40 напередодні та 80 напередодні.

Розрахунки за участю радіоактивних ізотопів є більш формальними, але дотримуються того самого основного принципу: Якщо ви знаєте період напіввиведення радіоактивного елемента і можете виміряти, скільки кожного ізотопу присутній, ви можете з’ясувати вік викопної, гірської породи чи іншої сутності, з якої він походить.

Кажуть, що елементи, які мають періоди напіврозпаду, підпорядковуються a перше замовлення процес розпаду. Вони мають так звану константу швидкості, яку зазвичай позначають k. Зв'язок між кількістю атомів, присутніх на початку (N₀), число, яке присутні на момент вимірювання N, минулий час t, і константу швидкості k можна записати двома математично еквівалентними способами:

N = N₀e^−kt

або

ln [Не застосовується₀] = −kt

Крім того, ви можете побажати діяльність A зразка, як правило, вимірюється в розпадах на секунду або dps. Це виражається просто як:

A = kt

Вам не потрібно знати, як виводяться ці рівняння, але ви повинні бути готовими до їх використання, щоб вирішувати проблеми, що стосуються радіоактивних ізотопів.

Вчені, зацікавлені у з'ясуванні віку копалини або гірської породи, аналізують зразок для визначення відношення дочірнього ізотопу даного радіоактивного елемента (або ізотопів) до його батьківського ізотопу в цьому зразок. Математично, з наведених рівнянь, це Н / Н₀. З урахуванням швидкості розпаду елемента і, отже, періоду його напіввиведення, заздалегідь відомо, обчислення його віку є простим.

Фокус полягає в тому, щоб знати, який із різноманітних поширених радіоактивних ізотопів шукати. Це, в свою чергу, залежить від приблизного очікуваного віку об’єкта, оскільки радіоактивні елементи розпадаються з надзвичайно різними швидкостями.

Крім того, не всі об’єкти, що мають бути датовані, матимуть кожен із загальновживаних елементів; Ви можете датувати речі з даною технікою знайомств, лише якщо вони містять необхідну сполуку або сполуки.

Датування уран-свинцю (U-Pb): Радіоактивний уран буває у двох формах - уран-238 та уран-235. Цифра відноситься до кількості протонів плюс нейтронів. Атомний номер урану становить 92, що відповідає кількості протонів. які розпадаються на свинець-206 та свинець-207 відповідно.

Період напіввиведення урану-238 становить 4,47 млрд. Років, тоді як урана-235 - 704 млн. Років. Оскільки вони відрізняються майже в сім разів (нагадаємо, що мільярд в 1000 разів у мільйон), це підтверджує переконайтеся, що ви правильно обчислюєте вік гірської породи або копалини, роблячи це серед найбільш точних радіометричних дат методи.

Тривалий період напіввиведення робить цю техніку датування придатною для особливо старих матеріалів, віком від приблизно 1 мільйона до 4,5 мільярдів років.

Датування U-Pb є складним із-за двох діючих ізотопів, але ця властивість також робить його таким точним. Метод також є технічно складним, оскільки свинець може «витікати» з багатьох типів гірських порід, інколи ускладнюючи або неможливих розрахунки.

Датування U-Pb часто використовується для датування магматичних (вулканічних) порід, що важко зробити через відсутність скам’янілостей; метаморфічні породи; і дуже старі скелі. Все це важко дати на сьогодні з іншими методами, описаними тут.

Датування рубідієм-стронцієм (Rb-Sr):Радіоактивний рубідій-87 розпадається на стронцій-87 із періодом напівжиття 48,8 млрд. років. Не дивно, що датування Ru-Sr використовуються для датування дуже старих гірських порід (насправді, як Земля, оскільки Землі "лише" приблизно 4,6 мільярда років).

Стронцій існує в інших стабільних (тобто не схильних до розпаду) ізотопах, включаючи стронцій-86, -88 та -84, у стабільних кількостях в інших природних організмах, гірських породах тощо. Але оскільки в земній корі багато рубідію-87, концентрація стронцію-87 набагато вища, ніж в інших ізотопах стронцію.

Потім вчені можуть порівняти відношення стронцію-87 до загальної кількості стабільних ізотопів стронцію для обчислення рівня розпаду, який створює виявлену концентрацію стронцію-87.

Цей прийом часто використовується на сьогоднішній день магматичні породи і дуже старі скелі.

Датування калій-аргону (K-Ar): Радіоактивним ізотопом калію є К-40, який розпадається як на кальцій (Са), так і на аргон (Ар) у співвідношенні 88,8 відсотка кальцію до 11,2 відсотка аргону-40.

Аргон - благородний газ, що означає, що він не реагує і не буде частиною початкового утворення гірських порід чи скам’янілостей. Отже, будь-який аргон, що знаходиться в гірських породах або скам’янілостях, повинен бути результатом такого роду радіоактивного розпаду.

Період напіввиведення калію становить 1,25 мільярда років, що робить цю техніку корисною для датування гірських порід зразки коливаються приблизно від 100 000 років тому (у віці ранніх людей) до приблизно 4,3 мільярда багато років тому. Калію дуже багато в Землі, що робить його чудовим для датування, оскільки він міститься на деяких рівнях у більшості видів зразків. Це добре для датування магматичних порід (вулканічних порід).

Датування вуглецю-14 (С-14): Вуглець-14 потрапляє в організми з атмосфери. Коли організм гине, не більше ізотоп вуглецю-14 може проникнути в організм, і він почне руйнуватися, починаючи з цього моменту.

Вуглець-14 розпадається на азот-14 за найкоротший період напіввиведення з усіх методів (5730 років), що робить його ідеальним для датування нових або недавніх скам’янілостей. В основному він використовується лише для органічних матеріалів, тобто скам’янілостей тварин і рослин. Вуглець-14 не можна використовувати для зразків старше 60 000 років.

У кожен момент часу тканини живих організмів мають однакове співвідношення вуглецю-12 до вуглецю-14. Коли організм гине, як зазначалося, він перестає включати новий вуглець у свої тканини, і тому подальший розпад вуглецю-14 до азоту-14 змінює співвідношення вуглецю-12 до вуглецю-14. Порівнюючи співвідношення вуглецю-12 до вуглецю-14 у мертвій речовині із співвідношенням, коли цей організм був живим, вчені можуть оцінити дату смерті організму.