Datare radiometrică

Datarea radiometrică este o metodă de determinare a vârstei . Ea se bazează pe cunoștințele despre ratele de dezintegrare ale care apar în mod natural izotopi , apariția lor obișnuită și determinarea raportului de izotopi .

Bazele datării radiometrice

Toată materia obișnuită este alcătuită din combinații de elemente chimice . Fiecare element chimic are propriul său număr atomic , care indică numărul de protoni din nucleul atomic al elementului chimic. Pe lângă protoni, toate elementele chimice (inclusiv hidrogenul: deuteriul și tritiul) au un număr de neutroni în nucleul atomic. Dacă atomii unui element diferă doar prin numărul de neutroni din nucleele lor cu același număr de protoni (și deci cu același număr atomic), atunci aceștia sunt numiți izotopi ai elementului chimic și se caracterizează prin greutatea lor atomică diferită. Carbonul are de obicei o greutate atomică de 12, scris 12 C, dar există și atomi cu o greutate de 14, carbon radioactiv 14 C. Un astfel de izotop specific al unui element chimic se numește nuclid . Unii nuclizi sunt instabili. Aceasta înseamnă că, într-un moment aleatoriu, un atom al unui astfel de nuclid este transformat într-un alt nuclid prin eliberarea unei particule din nucleul său: acest proces se numește dezintegrare radioactivă . Această conversie merge mână în mână cu emisia de particule precum electroni (așa-numita radiație beta ) sau particule alfa .

În timp ce momentul în care un anumit nucleu se descompune este aleatoriu, atomii individuali dintr-o colecție suficient de mare de atomi ai unui nuclid radioactiv se descompun exponențial aleatoriu la o rată care poate fi descrisă de un parametru cunoscut sub numele de timp de înjumătățire și este tipic pentru un nuclid. Timpul de înjumătățire este de obicei exprimat în ani când vine vorba de metode de întâlnire. Când a trecut un timp de înjumătățire, aproximativ jumătate din atomii din nucleul în cauză au decăzut. Multe substanțe radioactive se descompun dintr-un nuclid într-un produs de dezintegrare final, stabil într-o serie de etape numite lanțul de dezintegrare . În acest caz, timpul de înjumătățire raportat este, de obicei, cel dominant (cel mai lung) din întregul lanț, nu doar un pas în lanț. Nuclidii utilizați pentru datarea radiometrică pot avea timp de înjumătățire între câteva mii și câteva miliarde de ani.

În majoritatea cazurilor, timpul de înjumătățire al unui nuclid depinde în totalitate de natura nucleului său; nu este afectat de temperatură , mediu chimic, câmpuri magnetice sau câmpuri electrice . Timpul de înjumătățire al fiecărui nuclid se presupune a fi constant în timp. Deși bombardamentul radioactiv poate accelera decăderea, un astfel de bombardament lasă de obicei urme. Prin urmare, în orice material care conține un nuclid radioactiv, raportul dintre nuclidul original și produsele sale de degradare se modifică într-o manieră previzibilă pe măsură ce nuclidul se descompune. Această predictibilitate face posibilă utilizarea abundenței relative a nuclidilor înrolați ca un temporizator care indică timpul care a trecut de la absorbția nuclidilor originali în materialul de testat până în prezent.

Procesele prin care sunt create anumite materiale sunt adesea destul de selective în ceea ce privește includerea anumitor elemente în timpul creației. În mod ideal, materialul absoarbe nuclidul original, dar nu produsul de degradare. În acest caz, toate produsele de descompunere găsite în timpul anchetei trebuie să fi apărut de la crearea materialului. Dacă un material preia atât nuclizii originali, cât și produsele de descompunere în timpul formării sale, poate fi necesar să presupunem că sunt cunoscute proporțiile inițiale ale substanței radioactive și ale produsului de descompunere. Produsul de descompunere nu ar trebui să fie un gaz cu molecule mici care să poată scăpa din material și trebuie să aibă el însuși un timp de înjumătățire suficient de lung pentru a fi prezent în cantități suficiente. În plus, elementul de pornire și produsul de descompunere nu ar trebui să fie generate sau reduse în cantități semnificative prin alte reacții. Procedurile utilizate pentru izolarea și analiza produselor de reacție ar trebui să fie simple și fiabile.

Când un material care secretă selectiv produsele de degradare este încălzit, orice produs de dezintegrare care s-a acumulat în timp se pierde prin difuzie astfel încât „ceasul” izotopului să fie resetat la zero. Temperatura la care se produce acest lucru se numește „temperatura de blocare” și este specifică unui anumit material.

Spre deosebire de metodele simple de datare radiometrică, datarea izocronă , care poate fi utilizată pentru multe lanțuri de dezintegrare izotopice (de exemplu, lanțul de dezintegrare rubidiu-stronțiu ), nu necesită nicio cunoaștere a relațiilor originale. În mod similar, metoda de datare argon-argon pentru lanțul de degradare potasiu-argon poate fi utilizată pentru a se asigura că nu a fost prezent 40 Ar inițial .

Istoria metodei

Ernest Rutherford a venit cu primele idei pentru utilizarea ratei constante de descompunere a unei substanțe radioactive pentru a determina vârsta mineralelor la începutul secolului al XX-lea . Bertram Boltwood a fost pionierul în utilizarea acestei metode pentru determinarea vârstei absolute a rocilor . În 1907, Boltwood a reușit să dateze vârsta absolută a rocilor pentru prima dată folosind degradarea uraniului . Datarea sa pentru rocile din Sri Lanka a indicat o vârstă de 2,2 miliarde de ani.

Ecuația vârstei

Presupunând că elementele sursei radioactive se descompun în produse finale stabile, ecuația matematică care leagă decăderea radioactivă de timpul geologic (ecuația vârstei) este următoarea:

Cu

Vârsta eșantionului
Numărul de atomi ai produsului de descompunere din eșantion
Numărul de atomi ai izotopului inițial din eșantion
Constanta de descompunere a izotopului de pornire
logaritm natural

Limitele metodelor

Deși datarea radiometrică este în principal precisă, acuratețea acesteia depinde în mare măsură de îngrijirea cu care se efectuează procedura. Trebuie luate în considerare atât posibilele efecte interferente ale unei contaminări inițiale a materiilor prime, cât și materialele de degradare, precum și efectele care ar fi putut duce la pierderea sau câștigarea unor astfel de izotopi de la crearea probei. În plus, măsurarea într-un spectrometru de masă este perturbată de alți nuclizi cu același număr de masă. Corecțiile ar trebui să fie făcute prin determinarea raportului izotop al elementelor care se suprapun cu izotopul căutat.

Spectrometrele de masă sunt supuse influențelor și inexactităților. Dintre acestea, calitatea vidului ar trebui menționată în special . Într-un vid insuficient, atomii gazoși pot reacționa cu atomii ionizați care urmează să fie măsurați. Rezoluția receptorului este, de asemenea, un factor, dar dispozitivele moderne sunt mult mai bune aici decât predecesorii lor.

Precizia măsurătorilor este îmbunătățită dacă sunt repetate pe probe diferite prelevate din aceeași rocă în locații diferite. Alternativ, abordarea există atunci când pot fi datate mai multe minerale diferite din același eșantion și se poate presupune că au fost formate în același eveniment. În acest caz, măsurătorile de vârstă ale mineralelor ar trebui să formeze un izocron . În cele din urmă, poate fi necesară o corelație între diferite metode izotopice de datare pentru a confirma vârsta unui eșantion.

Acuratețea unei metode de datare depinde în parte de timpul de înjumătățire al izotopului radioactiv implicat. De exemplu, 14 C are un timp de înjumătățire mai mic de 6000 de ani. Dacă un organism a murit de 60.000 de ani, au rămas atât de puțini 14 C încât o determinare exactă a vârstei devine imposibilă. Pe de altă parte, concentrația de 14 C scade atât de abrupt, încât vârsta rămășițelor relativ tinere poate fi determinată exact până la câteva decenii. Izotopul utilizat în datarea cu uraniu-toriu are un timp de înjumătățire mai lung, dar alți factori fac această metodă mai precisă decât datarea cu radiocarbon.

Metode moderne de întâlnire

Datarea radiometrică poate fi efectuată în continuare pe probe de până la o miliardime de gram utilizând un spectrometru de masă . Spectrometrul de masă a fost inventat în anii 1940 și a fost folosit în datarea radiometrică încă din anii 1950 . Funcționează prin crearea unui fascicul de atomi ionizați din eșantionul investigat. Ionii se deplasează apoi printr-un câmp magnetic, care, în funcție de masa izotopilor atomilor încărcați și puterea de ionizare, îi deviază către senzori numiți cupe Faraday . Când lovesc paharele, ionii generează un curent foarte slab care z. B. poate fi măsurat cu precizie folosind o rezistență ridicată pentru a determina rata de impact și concentrațiile relative ale diferiților atomi sau raporturile lor izotopice în raze. Un multiplicator secundar de electroni (SEV) este adesea utilizat în spectrometre de masă pentru măsurarea precisă a curenților ionici foarte slabi .

Datarea-uraniu plumb este una dintre cele mai vechi disponibile si , de asemenea , una dintre metodele anerkanntesten. A fost rafinat într-o asemenea măsură încât eroarea la determinarea vârstei pietrelor de aproximativ trei miliarde de ani nu depășește două milioane de ani.

Datarea cu uraniu-plumb se face de obicei cu zirconul mineral (ZrSiO 4 ), dar poate fi folosită și cu alte materiale. Zircon încorporează atomi de uraniu în rețeaua sa cristalină în locul zirconiului , dar nu și plumb . Are o temperatură de blocare foarte ridicată, este rezistent la intemperii mecanice și inert din punct de vedere chimic. Zirconul formează, de asemenea, mai multe straturi de cristal în cursul mai multor evenimente metamorfice (transformarea rocilor), fiecare dintre ele putând descrie o vârstă separată a izotopului evenimentului respectiv. Acestea pot de ex. B. să fie determinat de un microbuz de ioni SHRIMP cu rezoluție înaltă.

Unul dintre marile avantaje este că fiecare eșantion oferă două temporizatoare, unul bazat pe decăderea de 235 U la 207 Pb cu un timp de înjumătățire de aproximativ 700 de milioane de ani, celălalt pe baza decăderii de 238 U până la 206 Pb cu jumătate -vie de aproximativ 4,5 miliarde de ani în urmă. Acest lucru are ca rezultat un contra-eșantion încorporat care permite determinarea exactă a vârstei eșantionului, chiar dacă s-a pierdut o parte din plumb.

Pentru datarea pe termen lung sunt utilizate alte două metode radiometrice. K-Ar datare include acceptarea de electroni sau dezintegrarea pozitron de 40 K până la 40 Ar . 40 K are un timp de înjumătățire de 1,3 miliarde de ani, deci această metodă poate fi utilizată și pentru cele mai vechi roci. Potasiul radioactiv 40 este comun în mica , feldspat și hornblendă , deși temperatura de blocare a acestor materiale este destul de scăzută: aproximativ 125 ° C (mica) până la 450 ° C (hornblendă).

Rubidiu-stronțiu datarea se bazează pe descompunerea beta a 87 Rb la 87 Sr, cu un timp de înjumătățire de acum aproximativ 50 miliarde de ani. Această metodă este utilizată pentru datarea vechilor roci magmatice și metamorfice. A fost folosit și pentru rocile lunii . Temperaturile de blocare sunt atât de ridicate încât nu sunt îngrijorătoare. Datarea rubidiu-stronțiu nu este la fel de precisă ca metoda uraniu-plumb, cu variații de 30 până la 50 de milioane de ani pentru un eșantion vechi de 3 miliarde de ani.

Metode de întâlnire pentru perioade mai scurte de timp

În plus, există o serie de alte metode de datare care sunt potrivite pentru perioade mai scurte de timp și sunt utilizate pentru cercetări istorice sau arheologice. Una dintre cele mai cunoscute este datarea cu radiocarbon sau metoda C-14.

14 C este un izotop radioactiv al carbonului cu un timp de înjumătățire de 5.730 de ani (foarte scurt comparativ cu cel prezentat mai sus). În alte metode de datare radiometrică, izotopii grei inițiali au fost creați de explozii de stele masive care au împrăștiat materialul prin galaxie, formând planete și alte stele. Izotopii părinți au decăzut de atunci și orice izotop cu un timp de înjumătățire mai scurt ar fi dispărut de mult.

14 C este o excepție. Este creat continuu prin coliziunea neutronilor creați de razele cosmice cu azot în straturile superioare ale atmosferei. Acest 14 C se găsește ca un oligoelement în dioxidul de carbon atmosferic (CO 2 ).

O ființă vie absoarbe carbonul din dioxidul de carbon în timpul vieții sale. Plantele îl iau prin fotosinteză , animalele prin consumul de plante și alte animale. Când o ființă vie moare, încetează să mai preia 14 C și izotopul existent se descompune odată cu timpul de înjumătățire caracteristic (5730 de ani). Cantitatea de 14 C, care va fi stabilită atunci când rămășițele animalului care urmează să fie examinate, sunt o indicație a timpului care a trecut de la moartea sa. Limita datării la 14 C este în urmă cu aproximativ 58.000 - 62.000 de ani.

Rata de formare a 14 C pare a fi mai mult sau mai puțin constantă, deoarece controalele încrucișate ale datării carbon-14 cu alte metode de datare arată că rezultatele sunt consistente. Cu toate acestea, erupțiile locale ale vulcanilor sau alte evenimente care eliberează cantități mari de dioxid de carbon, reduc concentrația locală de carbon-14 și oferă astfel rezultate inexacte. Eliberarea de dioxid de carbon în biosferă ca o consecință a industrializării a redus, de asemenea, proporția de 14 C cu câteva procente. În contrast, conținutul de 14 C a fost mărit de testele efectuate la începutul anilor 1960 cu bombe atomice la suprafață . La fel, o creștere a vântului solar sau a câmpului magnetic al pământului peste valoarea curentă ar putea reduce cantitatea de 14 C produsă în atmosferă . Aceste efecte sunt compensate atunci când scala de timp a radiocarbonului este calibrată. Vezi și articolul Metoda de întâlnire cu radiocarbon .

O altă metodă de datare relativ scurtă se bazează pe decăderea de la 238 U la 238 Th, o substanță cu un timp de înjumătățire de aproximativ 80.000 de ani. Este însoțit de un proces suror în care 235 U se descompun la 235 Pa , care are un timp de înjumătățire de 34.300 de ani.

În timp ce uraniul este solubil în apă, toriul și protactiniul sunt insolubile în apă, deci precipită selectiv în sedimentele de pe fundul oceanului, unde pot fi determinate proporțiile lor. Această metodă se întinde pe câteva sute de mii de ani.

O altă metodă este datarea prin termoluminiscență . Acest lucru folosește faptul că sursele de radiații naturale din mediul electroni z. B. stimulează într-o bucată de ceramică.

În sfârșit, ar trebui menționat întâlnirea cu pistă de fisiune . Feliile lustruite dintr-un material sunt examinate pentru a determina densitatea urmelor lăsate de degradarea spontană a 238 U-impurități. Conținutul de uraniu al probei trebuie cunoscut, dar poate fi determinat prin plasarea unei foi de plastic pe discul lustruit de material și bombardarea acestuia cu neutroni încet . Acest lucru determină o fisiune nucleară indusă de 235 U, spre deosebire de decăderea spontană de 238 U. Urmele decăderii cauzate de acest proces sunt păstrate în pelicula de plastic. Conținutul de uraniu al materialului poate fi apoi calculat din numărul de urme și fluxul de neutroni.

Această metodă este potrivită pentru utilizare într-o gamă largă de date geologice. Pentru perioade de până la câteva milioane de ani, mica, tektitele (fragmente de sticlă din erupțiile vulcanice) și meteoriții sunt cel mai bine folosite. Materialele mai vechi pot fi datate cu ajutorul zirconului, apatitei, titanitului, epidotului și granatului, care conțin cantități variabile de uraniu. Deoarece urmele de degradare sunt topite din nou la temperaturi peste 200 ° C, tehnica are atât limite, cât și avantaje. Această tehnică are o aplicație potențială pentru a detalia istoricul temperaturii depozitelor.

Cantități mari din 36 Cl, altfel rare, au fost create în timpul iradierii apei de mare datorită detonării armelor nucleare între 1952 și 1958. 36 Cl rămâne în atmosferă doar aproximativ o săptămână. Prin urmare, poate dovedi prezența apei din anii 1950 în sol și în apele subterane, 36 Cl este potrivit și pentru datarea apei care au mai puțin de 50 de ani. 36 Cl a fost folosit și în alte geoștiințe, de exemplu până în prezent, gheață și sedimente.

Întâlniri cu radionuclizi de scurtă durată

La începutul sistemului solar au existat niște radionuclizi de durată relativ scurtă, cum ar fi 26 Al, 60 Fe, 53 Mn și 129 I în nebuloasa solară. Acești radionuclizi - posibil creați de explozia unei supernove - au dispărut acum, dar produsele lor de descompunere pot fi detectate în materiale foarte vechi, cum ar fi meteoriții. Măsurând produsele de descompunere ale radionuclizilor care au dispărut de atunci cu un spectrometru de masă și folosind graficele izocrone, este posibil să se determine perioade relative de timp între diferite evenimente din istoria timpurie a sistemului solar. Metodele de întâlnire bazate pe acești radionuclizi, care au dispărut de atunci, pot fi, de asemenea, calibrate cu metoda uraniu-plumb pentru a obține vârsta absolută.

Metode de datare radiometrică

Note și referințe individuale

  1. ↑ Rata de descompunere nu este întotdeauna constantă la captarea electronilor, la fel ca la nuclizi precum B. Apare 7 Be, 85 Sr și 89 Zr. Pentru acest tip de descompunere, rata decăderii poate fi influențată de densitatea locală a electronilor. Cu toate acestea, acești izotopi nu sunt folosiți în datarea radiometrică. Citiți mai multe aici .
  2. ↑ Heuel-Fabianek, B. (2017): Radioizotopi naturali: „ceasul atomic” pentru determinarea vârstei absolute a rocilor și a descoperirilor arheologice. Practica de protecție împotriva radiațiilor, 1/2017, pp. 31-42.
  3. ↑ usgs.gov: Geologic Time: Radiometric Time Scale .
  4. ↑ Plastino, Wolfango; Kaihola, Lauri; Bartolomei, Paolo; Bella, Francesco: Reducerea fondului cosmic în măsurarea radiocarbonului prin spectrometrie de scintilație la laboratorul subteran din Gran Sasso ; În: Radiocarbon , volumul 43, numărul 2, paginile 11-1145 (mai 2001), pp. 157-161 (5).

Vezi si

Link-uri web