Radiometrisk datering: Definition, hvordan fungerer det, anvendelser og eksempler

Mange stoffer, dog både biologiske og kemiske , er i overensstemmelse med en anden mekanisme: I en given periode forsvinder halvdelen af stoffet i en fast tid, uanset hvor meget der er til stede til at begynde med. Det siges, at sådanne stoffer har en halveringstid
. Radioaktive isotoper overholder dette princip, og de har meget forskellige forfaldshastigheder.

Dette nyttes nytte af at nemt kunne beregne, hvor meget af et givet element der var til stede på det tidspunkt, det blev dannet, baseret på hvor meget er til stede på måletidspunktet. Dette skyldes, at når radioaktive elementer først opstår, formodes de at bestå udelukkende af en enkelt isotop.

Da radioaktivt forfald forekommer over tid, bliver flere og flere af denne mest almindelige isotop "forfald" (dvs. konverteret) til en anden isotop eller isotoper; disse henfaldsprodukter kaldes passende datterisotoper
.
En is Definition af halveringstid -

Forestil dig, at du nyder en bestemt slags is, der er smagret med chokoladechips. Du har en luskig, men ikke særlig klog, værelseskammerat, der ikke kan lide selve isen, men ikke kan modstå, at han vælger at spise chipsene - og i et forsøg på at undgå detektion erstatter han hver enkelt, han spiser med en rosin.

Han er bange for at gøre dette med alle chokoladechips, så i stedet, hver dag, skubber han halvdelen af antallet af resterende chokoladechips og sætter rosiner på deres sted, og aldrig fuldstændigt afslutter sin diaboliske transformation af din dessert, men komme nærmere og tættere.

Sig en anden ven, der er opmærksom på dette arrangement, besøger og bemærker, at din karton med is indeholder 70 rosiner og 10 chokoladechips. Hun erklærer, "Jeg gætte, at du gik på shopping for ca. tre dage siden." Hvordan ved hun det?

Det er enkelt: Du skal være startet med i alt 80 chips, fordi du nu har 70 + 10 \u003d 80 tilsætningsstoffer til din is. Fordi din værelseskammerat spiser halvdelen af chipsene på en given dag og ikke et fast antal, skal kartonen have haft 20 chips dagen før, 40 dagen før det og 80 dagen før det.

Beregninger involvering af radioaktive isotoper er mere formelle, men følger det samme grundlæggende princip: Hvis du kender halveringstiden for det radioaktive element og kan måle, hvor meget af hver isotop der er til stede, kan du finde ud af alder på fossil, klippe eller anden enhed stammer fra.
Nøgle Ligninger i radiometrisk datering

Elementer, der har halveringstider, siges at overholde en førsteordens og forfaldsproces. De har, hvad der er kendt som en hastighedskonstant, normalt betegnet med k. Forholdet mellem antallet af tilstedeværende atomer i starten (N _{0), antallet til stede på målingstidspunktet N, den forløbne tid t, og hastighedskonstanten k kan skrives på to matematiske ækvivalente måder:}

N \u003d N _{0e ^−kt}

eller

ln [N /N _{0] \u003d −kt}

Derudover kan du ønske at kende aktiviteten A for en prøve, typisk målt i opløsning pr. sekund eller dps. Dette udtrykkes ganske enkelt som:

A \u003d kt

Du behøver ikke at vide, hvordan disse ligninger er afledt, men du skal være parat til at bruge dem, så løse problemer, der involverer radioaktive isotoper.
Anvendelse af radiometrisk datering

Forskere, der er interesseret i at finde ud af alder på en fossil eller klippe, analyserer en prøve for at bestemme forholdet mellem et givet radioaktivt elements datterisotop (eller isotoper) og dets forælderisotop i denne prøve. Fra ovennævnte ligninger er dette matematisk N /N _{0. Med elementets forfaldsfrekvens og dermed dens halveringstid, der er kendt på forhånd, er beregningen af dets alder ligetil.}

Tricket er at vide, hvilken af de forskellige almindelige radioaktive isotoper man skal kigge efter. Dette afhænger igen i den omtrentlige forventede alder på objektet, fordi radioaktive elementer forfalder i enormt forskellige hastigheder.

Desuden vil ikke alle objekter, der skal dateres, have hvert af de elementer, der almindeligvis bruges; du kan kun datere emner med en given dateteknik, hvis de inkluderer den nødvendige forbindelse eller forbindelser.
Eksempler på radiometrisk datering

Uran-bly (U-Pb) datering: Radioaktivt uran findes i to former, uran -238 og uranium-235. Tallet henviser til antallet af protoner plus neutroner. Uraniums atomnummer er 92, svarende til dets antal protoner. der nedbrydes til henholdsvis bly-206 og bly-207.

Halveringstiden for uran-238 er 4,47 milliarder år, mens den for uran-235 er 704 millioner år. Fordi disse adskiller sig med en faktor på næsten syv (husk, at en milliard er 1.000 gange en million), det viser sig at være en "check" for at sikre dig, at du beregner alderen på klippen eller fossil korrekt, hvilket gør dette til det mest præcise radiometriske dateringsmetoder.

Den lange halveringstid gør denne dateringsteknik velegnet til specielt gamle materialer, fra ca. 1 million til 4,5 milliarder år gammel.

U-Pb-datering er kompleks på grund af de to isotoper i spil, men denne egenskab er også det, der gør det så præcist. Metoden er også teknisk udfordrende, fordi bly kan "lække" ud af mange typer klipper, som undertiden gør beregningerne vanskelige eller umulige.

U-Pb-datering bruges ofte til at datere stødende (vulkaniske) klipper, som kan være svær at gøre på grund af manglen på fossiler; metamorfe klipper; og meget gamle klipper. Alle disse er svære at date med de andre metoder, der er beskrevet her.

Rubidium-strontium (Rb-Sr) datering: Radioaktivt rubidium-87 nedbrydes til strontium-87 med en halveringstid på 48,8 milliarder år. Ikke overraskende bruges Ru-Sr-datering til at datere meget gamle klipper (lige så gamle som Jorden, faktisk, da Jorden er "kun" omkring 4,6 milliarder år gammel.)

Strontium findes i andre stald ( dvs. ikke udsat for forfald) isotoper, inklusive strontium-86, -88 og -84, i stabile mængder i andre naturlige organismer, klipper og så videre. Men fordi rubidium-87 er rigeligt i jordskorpen, er koncentrationen af strontium-87 meget højere end for de andre isotoper af strontium.

Forskere kan derefter sammenligne forholdet mellem strontium-87 og det samlede antal mængde stabile strontiumisotoper til beregning af niveauet for henfald, der producerer den detekterede koncentration af strontium-87.

Denne teknik bruges ofte til at datere svulstarter og meget gamle klipper.

Kalium-argon (K-Ar) datering: Den radioaktive kaliumisotop er K-40, der nedbrydes til både calcium (Ca) og argon (Ar) i et forhold på 88,8 procent calcium til 11,2 procent argon-40.

Argon er en ædel gas, hvilket betyder, at den er ikke-reaktiv og ikke ville være en del af den oprindelige dannelse af nogen sten eller fossiler. Ethvert argon, der findes i klipper eller fossiler, skal derfor være resultatet af denne form for radioaktivt forfald.

Halveringstiden for kalium er 1,25 milliarder år, hvilket gør denne teknik nyttig til datering af stenprøver fra ca. 100.000 år siden (i de tidlige menneskers alder) til ca. 4,3 milliarder år siden. Kalium er meget rigeligt i Jorden, hvilket gør det godt til datering, fordi det findes i nogle niveauer i de fleste slags prøver. Det er godt at datere stødende sten (vulkaniske klipper).

Carbon-14 (C-14) datering: Carbon-14 kommer ind i organismer fra atmosfæren. Når organismen dør, kan ikke mere af carbon-14-isotopen komme ind i organismen, og den vil begynde at henfalde fra det tidspunkt.

Carbon-14 nedbrydes til nitrogen-14 i den korteste halveringstid alle metoder (5.730 år), hvilket gør det perfekt til datering af nye eller nylige fossiler. Det bruges for det meste kun til organiske materialer, dvs. dyre- og plantefossiler. Carbon-14 kan ikke bruges til prøver, der er ældre end 60.000 år gamle.

På et givet tidspunkt har vævene fra levende organismer alle det samme forhold mellem carbon-12 og carbon-14. Når en organisme dør, stopper den som anført med at inkorporere nyt kulstof i dets væv, og det efterfølgende henfald af carbon-14 til nitrogen-14 ændrer forholdet mellem carbon-12 og carbon-14. Ved at sammenligne forholdet mellem kulstof-12 og kulstof-14 i død stof med forholdet, da denne organisme var i live, kan forskere estimere datoen for organismens død.