Radiometrično datiranje (radioaktivno): definicija, metode in datiranje kamnin
Radiometrično datiranje (pogosto imenovano radioaktivno datiranje) je način ugotavljanja starosti nečesa. Metoda primerja količino naravno prisotnega radioaktivnega izotopa in njegovih razpadnih produktov v vzorcih. Metoda uporablja znane hitrosti razpadanja. To je najpogosteje uporabljena metoda v geokronologiji, ki je glavni način za ugotavljanje starosti kamnin in drugih geoloških značilnosti, vključno s starostjo same Zemlje.
Uporablja se za datiranje številnih vrst naravnih in umetnih materialov. Fosile lahko datiramo tako, da vzamemo vzorce kamnin nad in pod prvotnim položajem fosila. Radiometrično datiranje se uporablja tudi za datiranje arheoloških materialov, vključno s starodavnimi artefakti.
Za določitev geološke časovne lestvice se uporabljajo radiometrične metode datiranja. Med najbolj znanimi tehnikami so radiokarbonsko datiranje, datiranje s kalijevim argonom in datiranje z uranovim svincem.
Osnovni princip
Radiometrično datiranje temelji na naravnem radioaktivnem razpadu nestabilnih izotopov v stabilne produkte. Vsak radioaktivni izotop ima značilno hitrost razpada, izraženo s konstantno razpadanja (λ) ali z razpolovno dobo (čas, v katerem razpade polovica prvotne količine izotopa). V najosnovnejši obliki se starost izračuna iz razmerja med preostalim starim izotopom in nastalimi produkti razpada. Matematično je razpad opisan z eksponentno funkcijo (N(t) = N0 · e^(−λt)), vendar za večino bralcev zadostuje razumevanje, da poznana hitrost razpada omogoča izračun časa, ki je minil od trenutka "zaprtja" sistema.
Najpogosteje uporabljene metode in izotopi
- Radiokarbonsko datiranje (14C) — primeren za organski material (les, kosti, oglje) do ~50.000 let. Polovična doba 14C je približno 5.730 let. Rezultati se pogosto kalibrirajo z uporabo kalibracijskih krivulj (npr. IntCal), saj koncentracija 14C v ozračju ni stalna skozi čas.
- Kalijev-argon (K–Ar) in 40Ar/39Ar — uporabljata se pri datiranju vulkanskih kamnin od nekaj deset tisoč do več milijonov ali milijard let. 40K ima dolgo razpolovno dobo (~1,25 milijarde let).
- Uran–svinec (U–Pb) — ena najnatančnejših metod, pogosto uporabljena za datiranje zrn cirkona v magmatskih kamninah. U–Pb lahko meri starosti do več milijard let (polovična doba 238U ≈ 4,47 milijarde let).
- Drugi sistemi — Pb–Pb, Rb–Sr, Sm–Nd, Re–Os in mnogi drugi se uporabljajo glede na starostni razpon in tip vzorca.
Postopek, zahteve in pojmi
- Zaprtost sistema (closure) — ključni predpogoj: po času "zaprtja" (ko se izotopi ne izmenjujejo več z okoljem) mora vzorec ostati geokemijsko zaprt, sicer pride do izkrivljanja izračunane starosti.
- Izbor vzorca — izbrati je treba material, ki vsebuje primeren izotop in je ohranil izvorne količine izotopa in produktov razpada. Pri fosilih se običajno datirajo plasti kamnin nad in pod najdbo.
- Kontaminacija — dodajanje sodobnega ogljika ali izguba izotopov lahko močno vpliva na rezultate, zato so postopki vzorčenja in priprave ključni.
- Kalibracija in primerjava metod — radiokarbonske rezultate je pogosto treba kalibrirati; geokronologi uporabljajo več metod in sistemov za križno preverjanje starosti.
Omejitve in napake
Radiometrično datiranje ni brez omejitev. Nekatere pogoste težave so:
- Omejen starostni razpon posameznih metod (npr. 14C do ~50 ka).
- Geokemijske spremembe, ki lahko povzročijo premik izotopov in s tem napačne starosti.
- Nepravilna interpretacija starosti (npr. datiranje motnje namesto nastanka kamnine).
- Merilne in statistične negotovosti — rezultati imajo vedno pripisano negotovost, pogosto izraženo kot ± vrednost v letih.
Uporabe v znanosti in arheologiji
Radiometrično datiranje je temeljna metoda v geokronologiji in ima številne aplikacije:
- Datiranje magmatskih in metamorfnih dogodkov (npr. starost kristalizacije magme, metamorfnih preobrazb).
- Ugotavljanje starosti sedimentnih zaporedij in s tem staranja fosilov (z datiranjem vulkanskih plasti ali mineralnih zrn v sedimenih).
- Arheološke starosti artefaktov in inovacij v človeški zgodovini (z radiokarbonskim in drugimi postopki).
- Določanje starosti meteoritev in zgodnjih dogodkov v zgodnji zgodovini Osončja, kar pomaga določiti starost Zemlje in sončnega sistema.
Zaključek
Radiometrično datiranje je močno orodje za merjenje časa v geologiji, paleontologiji in arheologiji. Natančnost izračuna je odvisna od izbire ustrezne metode, kakovosti vzorca, pravilne priprave in upoštevanja geokemijskih pogojev. V praksi geologi in arheologi pogosto združujejo več metod, da bi dosegli zanesljive in ponovljive ugotovitve.
Alejevi kamni v Kåsebergi, približno deset kilometrov jugovzhodno od Ystada na Švedskem, so bili datirani v leto 600 našega štetja z metodo ogljika-14 na organskem materialu, ki so ga našli na najdišču.
Radioaktivni razpad
Vsa običajna snov je sestavljena iz kombinacij kemijskih elementov, od katerih ima vsak svoje atomsko število, ki označuje število protonov v atomskem jedru. Elementi obstajajo v različnih izotopih, pri čemer se vsak izotop elementa razlikuje po številu nevtronov v jedru. Izotop določenega elementa se imenuje nuklid. Nekateri nuklidi so naravno nestabilni. To pomeni, da se bo atom takšnega nuklida v nekem trenutku z radioaktivnim razpadom spontano spremenil v drug nuklid. Razpad se lahko zgodi z emisijo delcev (običajno elektronov (razpad beta), pozitronov ali delcev alfa) ali s spontano jedrsko cepitvijo in zajetjem elektronov.
Enačba starosti
Matematični izraz, ki povezuje radioaktivni razpad z geološkim časom, je:
D = D 0+ N(eλt - 1)
kjer je
t je starost vzorca,
D je število atomov hčerinskega izotopa v vzorcu,
D0 je število atomov hčerinskega izotopa v prvotni sestavi,
N je število atomov matičnega izotopa v vzorcu in
λ je razpadna konstanta starševskega izotopa, ki je enaka obratni vrednosti radioaktivnega razpolovnega časa starševskega izotopa, pomnoženi z naravnim logaritmom 2.
Ta enačba uporablja podatke o matičnih in hčerinskih izotopih v času strjevanja materiala. To je dobro znano za večino izotopskih sistemov. Za grafično rešitev enačbe starosti se uporablja izohron (premica). Prikazuje starost vzorca in prvotno sestavo.
Samarij-neodimova (Sm/Nd) izohronska krivulja vzorcev iz Velike groblje, Zimbabve. Starost je izračunana iz naklona izohrona (črta), prvotna sestava pa iz presečišča izohrona z osjo y.
Predpogoji
Metoda se najbolje obnese, če niti matični nuklid niti hčerinski produkt po nastanku ne vstopita v snov ali jo zapustita. Upoštevati je treba vse, kar spreminja relativne količine obeh izotopov (prvotnega in hčerinskega), in se temu izogniti, če je le mogoče. Onesnaženje od zunaj ali izguba izotopov v katerem koli trenutku od prvotnega nastanka kamnine bi spremenila rezultat. Zato je nujno imeti čim več informacij o datiranem materialu in preveriti morebitne znake sprememb.
Meritve je treba opraviti na vzorcih iz različnih delov kamnine. To pomaga preprečiti učinke segrevanja in stiskanja, ki jih lahko kamnina doživi v svoji dolgi zgodovini. Za potrditev starosti vzorca so lahko potrebne različne metode datiranja. V študiji gnajsov Amitsoq iz zahodne Grenlandije je bilo na primer pri preučevanju dvanajstih vzorcev uporabljenih pet različnih metod radiometričnega datiranja, pri čemer se je starost 3 640 milijonov let ujemala z natančnostjo 30 milijonov let.
Sorodne strani
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je radiometrično datiranje?
O: Radiometrično datiranje (pogosto imenovano radioaktivno datiranje) je način ugotavljanja starosti stvari. Pri tem se za primerjavo količine naravno prisotnega radioaktivnega izotopa in njegovih razpadnih produktov v vzorcih uporabljajo znane hitrosti razpadanja.
V: Kateri so primeri materialov, ki jih je mogoče datirati z radiometričnim datiranjem?
O: Radiometrično datiranje se lahko uporablja za datiranje številnih vrst naravnih in umetnih materialov, vključno s fosili, arheološkimi materiali in starimi artefakti.
V: Kako deluje radiokarbonsko datiranje?
O: Radiokarbonsko datiranje poteka tako, da se odvzamejo vzorci kamnin nad in pod prvotnim položajem fosila. Metoda nato na podlagi znanih stopenj razpadanja oceni starost preučevanega materiala.
V: Katere tehnike se pogosto uporabljajo pri radiometričnem datiranju?
O: Pogoste tehnike, ki se uporabljajo pri radiometričnem datiranju, so radiokarbonsko datiranje, datiranje s kalijevim argonom in datiranje z uranovim svincem.
V: Kako se radiometrično datiranje uporablja za določitev geološke časovne lestvice?
O: Metode radiometričnega datiranja se uporabljajo za določanje geološke časovne lestvice, saj zagotavljajo natančne ocene, kdaj so se zgodili določeni dogodki ali kdaj so nastali določeni materiali.
V: Ali je mogoče radiometrične podatke uporabiti za žive organizme?
O: Ne, radiometričnih podatkov ni mogoče uporabljati na živih organizmih, saj ti ne vsebujejo naravnih radioaktivnih izotopov, ki bi jih bilo mogoče meriti s to tehniko.
