care este

Articolele științei populare despre arheologie, geologie, paleontologie, biologie evoluționistă și alte discipline legate de reconstrucția evenimentelor din trecut menționează întotdeauna datarea - ceva ce s-a întâmplat în urmă cu 10.000 de ani, acum 10 milioane sau 4 miliarde de ani. Cum se determină acest lucru?

În articolul precedent „Metode științifice ale întâlnirilor - dendrocronologie” v-am spus despre o metodă care este mai potrivită pentru descoperirile arheologice, determinându-le într-un an, iar scara sa de timp acoperă puțin peste 11.000 de ani pentru anumite zone. Dendrocronologia este metoda care se bazează pe creșterea specifică neuniformă a trunchiului de copac.

Sistemul de întâlnire pe care îl vom cunoaște acum este metoda izotopilor radioactivi pe baza constanței ratei de descompunere a acestora.

Atomi, elemente, chimie

Acesta este modelul atomic planetar al lui Niels Bohr, care, deși depășit, ne poate servi pentru câteva idei de bază. Rolul „Soarelui” în acest model planetar este jucat de nucleu, iar electronii se învârt în jurul lui ca planetele din sistemul solar. Și ca și în el, electronii sunt nesemnificativ de mici în comparație cu nucleul și spațiul care îi separă de nucleu.

Există două tipuri de particule în nucleu - protoni și neutroni, denumiți în mod obișnuit nucleoni, care sunt mult mai mari decât electronul și au aproape aceeași dimensiune.

Elementele chimice sunt atomi care au același număr de protoni în nucleele lor. Dacă nucleul se împarte, elementul nu va fi același.

Numărul de protoni este constant pentru fiecare element specific și este egal cu numărul de electroni. Acest număr este numărul atomic al elementului și nu există lacune în lista numerelor atomice din tabelul periodic. Fiecare număr din el corespunde exact unui singur element. Elementul cu numărul atomic 1 este hidrogen, 2 - heliu, 3 - litiu etc. până la 92 - uraniu - elementul cu cel mai mare număr (fără tehnetiu), care apare în natură.

Protonii și electronii poartă o sarcină electrică cu semn opus. Faptul că îl numim unul pozitiv și celălalt negativ este o acceptare arbitrară. Aceste sarcini sunt importante, deoarece legăturile chimice ale elementelor dintre ele apar în principal prin interacțiunea electronilor.

Neutronii din atom nu au nicio încărcătură, dar sunt strâns legați de protonii din nucleu, schimbând particule și transformându-se unul în celălalt.

Toți neutronii, protonii și electronii din univers sunt absolut identici și nu se pot distinge. Nu există un proton de oxigen sau un electron de hidrogen. Un proton este un proton peste tot și ceea ce face calciu, de exemplu, nu este altceva decât faptul că are exact 20 de protoni și 20 de electroni.

Legăturile chimice se rup ușor și se recreează, deoarece doar reacțiile chimice sunt schimbate de electroni. Chimia este un dans al electronilor.

Forțele din nucleele atomice sunt mult mai puternice, iar fisiunea sau descompunerea nucleului nu este cauzată de reacții chimice, ci de alte tipuri de interacțiuni, iar ceasurile radioactive se bazează pe ele.

Izotopi

Deoarece masa electronilor este neglijabil de mică, masa totală a unui atom sau „masa atomică” a acestuia este egală cu numărul total de protoni și neutroni.

De obicei este puțin mai mult decât dublul numărului atomic, deoarece în nucleu există de obicei mai mulți neutroni decât protoni. Spre deosebire de numărul de protoni, numărul de neutroni dintr-un atom nu este o caracteristică unică a elementului.

Atomii fiecărui element pot avea „variante” diferite, numite izotopi cu număr diferit de neutroni, dar întotdeauna cu același număr de protoni.

Unele elemente, cum ar fi fluorul, au un singur izotop natural. Numărul atomic al fluorului este de 9, iar masa sa atomică este de 19, ceea ce arată clar că are 9 protoni și 10 neutroni. Alte elemente au mai mulți izotopi. Există un total de 5 izotopi de plumb. Au același număr de protoni (și electroni) - 82, care este numărul atomic al plumbului, dar au o nasă atomică diferită - de la 202 la 208.

Există trei izotopi de carbon în natură. Carbon-12 (12 C) este un izotop al carbonului obișnuit cu același număr de protoni și neutroni - 6. Există, de asemenea, carbon-13 cu o viață prea scurtă pentru scopurile noastre și carbon-14 (14 C), care este rare, dar încă suficiente pentru a fi utile pentru datarea probelor organice.

Se destramă

Nu toți izotopii sunt stabili. Plumbul-202 este un izotop instabil, iar plumbul-204, -206, -207 și -208 sunt stabile. „Instabil” înseamnă că atomii se transformă spontan în alții, la o viteză previzibilă, deși într-un moment imprevizibil.

Previzibilitatea ratei de descompunere este baza tuturor ceasurilor radiometrice.

Există mai multe tipuri de radioactivitate care pot fi utilizate pentru datare - emisia de particule precum electroni, pozitroni sau particule alfa, fuziune spontană sau captare de electroni.

Dezintegrarea beta (β-dezintegrarea) este un tip de dezintegrare radioactivă determinată de interacțiuni slabe (a se vedea „Bosoni și interacțiuni fundamentale”).

În această descompunere, sarcina nucleară se schimbă cu una, dar masa atomică rămâne aceeași. În această descompunere, nucleul emite o particulă beta (electron sau pozitron), precum și particulele de neutrino - antineutrino electronic și neutrino electronic.

  • beta-minus dezintegrare (β -) - nucleul emite un electron și un antineutrino.

Când β - se descompune, neutronul se transformă într-un proton. Aceasta înseamnă că masa atomică rămâne aceeași (protonii și neutronii au aceeași masă), iar numărul atomic crește cu unul, astfel încât atomul să devină un alt element, o celulă la dreapta în tabelul periodic. De exemplu, cesiul-55 este transformat în bariu-56.

  • decăderea beta-plus »(β +) - nucleul emite un pozitron și un neutrin.

Când β + se descompune, se întâmplă opusul - protonul se transformă într-un neutron, dar de data aceasta numărul atomic scade cu unul și atomul devine următorul element din tabelul periodic din stânga.

  • captarea electronilor (Captarea electronilor) este o altă formă de degradare radioactivă și are același efect. Protonul captează unul dintre electroni din coaja atomului său și se transformă într-un neutron (emitând un neutrino). Din nou, nu există nicio modificare a greutății atomice, numărul atomic scade cu unul și devine următorul element din stânga în tabelul periodic.
  • decăderea alfa - în el, atomul emite așa-numitele particule alfa (nuclei de heliu a doi neutroni și doi protoni). Aceasta înseamnă că masa atomică scade cu patru, iar numărul atomic scade cu două. Atomul devine un element în stânga a două celule din tabelul periodic. Un exemplu de descompunere alfa este conversia izotopului radioactiv uraniu-238 (92 de protoni și 146 de neutroni) în toriu-234 (90 de protoni și 144 de neutroni).

Jumătate de viață

Fiecare izotop instabil se descompune la o rată exact cunoscută caracteristică a acelui izotop, decăderea fiind exponențială. O măsură generală a gradului de descompunere este „timpul de înjumătățire”. Acesta este timpul necesar pentru ca jumătate din ceilalți atomi ai elementului radioactiv original să se descompună. De exemplu, materialul sursă radioactivă rămasă va scădea cu 1/2 pentru fiecare perioadă de înjumătățire (1 → 1/2 → 1/4 → 1/8 → 1/16 etc.). Timpul de înjumătățire este la fel și nu depinde de câți atomi se descompun. Măsurătorile de înjumătățire în zilele noastre sunt foarte precise, chiar și pentru perioadele de înjumătățire extrem de lente.

Izotop inițial Izotop derivativ Jumătate de viață
Polonium-218 Tin-214 3 minute
Toriu-234 Protactiniu-234 24 de zile
Carbon-14 Azot-14 5.730 de ani
Potasiu-40 Argon-40 1,25 miliarde de ani
Uraniu-238 Tin-206 4,47 miliarde de ani
Rubidiu-87 Stronțiul-87 48,8 miliarde de ani

Cu cât timpul de înjumătățire al unui izotop este mai lung, cu atât evenimentele geologice mai vechi pot fi datate acestuia.

De exemplu, timpul de înjumătățire (T½) al carbonului 14 este de 5730 ± 40 de ani. Astăzi, vârsta maximă a eșantionului, care poate fi determinată cu acuratețe prin metoda radiocarbonului, este de aproximativ 60.000 de ani, adică aproximativ 10 perioade de înjumătățire de 14 C. În acest timp, conținutul de 14 C scade de aproximativ 1000 de ori (aproximativ 1 oră pe oră) .grame de carbon) și va trebui să folosim un ceas mai lent.

Cum funcționează metoda radioizotopului

Datarea radioizotopică folosește de obicei roci vulcanice pentru date. Acestea sunt roci care se formează atunci când materialul topit fierbinte se răcește și se întărește. Rocile vulcanice sunt, de exemplu, granit și bazalt.

În timp ce substanța este în stare lichidă, de exemplu ca magmă lichidă, compoziția sa chimică este variabilă - componentele sale individuale sunt amestecate, unele se evaporă și așa mai departe. Dar când mineralul se întărește, acesta începe să se comporte ca un sistem relativ închis. Aceasta înseamnă că izotopii radioactivi prezenți în el rămân blocați și scăderea numărului lor are loc numai din cauza decăderii, care are loc la o rată constantă. În mod ideal, toate produsele de descompunere rămân în interiorul mineralului. Devine „resetare ceas”.

Din păcate, astfel de cazuri ideale sunt puține în natură.

Fosilele se găsesc de obicei în roci sedimentare, nu în roci vulcanice. Rocile sedimentare pot fi datate cu ajutorul carbonului radioactiv, dar deoarece carbonul se descompune relativ repede, acest lucru funcționează numai pentru rocile tinere de aproximativ 50.000 de ani.

Deci, până în prezent, fosilele mai vechi, oamenii de știință caută straturi de roci vulcanice sau cenușă vulcanică deasupra și dedesubtul fosilelor. Cercetătorii datează rocile vulcanice folosind elemente care au o descompunere mai lentă, cum ar fi uraniul și potasiul. Datând aceste straturi înconjurătoare, pot înțelege cât de tinere și de bătrâne pot fi fosilele.

Metoda potasiu-argon

Potasiul-40 are un timp de înjumătățire de 1,26 miliarde de ani și este adesea folosit pentru datarea evolutivă. Acest „ceas” se numește potasiu-argon deoarece argonul-40 (o celulă la stânga tabelului periodic) este unul dintre elementele în care potasiul-40 se descompune.

Metoda carbonului

Metoda radiocarbonului este utilizată pe scară largă pentru a determina vârsta absolută a sedimentelor mai tinere (nu mai mult de 100 de mii de ani), în special pentru materialele organice conservate.

O mare parte din carbonul din dioxidul de carbon atmosferic este carbon-12, care nu este radioactiv. Izotopul radioactiv al carbonului 14 C se formează în atmosfera superioară ca urmare a bombardării nucleilor de azot cu neutroni cu raze cosmice:. Carbonul 14 C este oxidat la 14 CO2 și distribuit în atmosferă.

Particulele de raze cosmice trag un proton în nucleul unui atom de azot și îl transformă într-un neutron. Când se întâmplă acest lucru, atomul este transformat în carbon-14, care este situat într-o celulă la stânga azotului în tabelul periodic. Rata acestei conversii este aproximativ constantă și depinde de fluctuațiile activității solare, la fel și datarea radiocarbonată.

Aproximativ un atom per trilion este carbon-14 radioactiv. Se descompune, cu un timp de înjumătățire de 5730 de ani, după cum sa menționat deja, în azot-14. Pentru biochimia plantelor, nu există nicio diferență între acești doi izotopi. Astfel, plantele includ ambele tipuri de atomi de carbon în fotosinteză pentru a produce zahăr în aceleași proporții în care apar în atmosferă (1: 10-12). Carbonul din atmosferă (împreună cu procentul de 14 atomi de C) se răspândește rapid prin lanțul trofic în comparație cu timpul său de înjumătățire, când plantele sunt consumate de erbivore, erbivore de prădători etc. Toate ființele vii, indiferent dacă sunt sau nu plante sau animale, au un raport aproximativ egal de 14 C/12 C, care este în același raport ca și în atmosferă.

După moartea organismului, fluxul de carbon din acesta se oprește, sistemul se închide condiționat, ca în cazul mineralului întărit, iar raportul 14 C/12 C începe să scadă în detrimentul degradării radioactivei izotop 14 C.

Din fericire, avem date exacte despre fluctuațiile de 14 C în atmosferă și se pot face ajustări pentru a crește precizia calculelor.

Să nu uităm că pentru aproximativ aceeași perioadă de timp acoperită de datarea cu carbon, există o metodă alternativă de datare pe inelele copacilor - dendrocronologia, o metodă care este exactă pentru un an. Astfel, erorile de datare a carbonului determinate de datarea radiocarbonată a probelor de lemn, a căror vârstă este determinată independent folosind inele de lemn, pot fi calibrate.

Probleme

De obicei, este foarte dificil să se estimeze conținutul inițial în scara produselor de descompunere ale unui izotop. De exemplu, metoda potasiu-argon se bazează pe circumstanța extrem de favorabilă că argonul se evaporă de obicei din rocile topite. Dar în timpul cristalizării mineralului se poate întâmpla să capteze argon din exterior. Cum se distinge acest argon de argonul care s-a format mai târziu după decăderea izotopului 40 K? Este posibil să presupunem că argonul capturat are același raport de izotop 40 Ar/36 Ar ca în atmosfera modernă. Măsurând cantitatea de 36 Ar, ​​atunci se poate calcula cantitatea de argon radiogen "pur" 40 Ar. Dar această presupunere nu este întotdeauna justificată.

Fiecare dintre metodele radiometrice are avantajele și dezavantajele sale. De exemplu, dezavantajul datării cu uraniu-plumb este că mineralele cu un conținut ridicat de uraniu sunt rare. Dezavantajul argonului de potasiu este un grad ridicat de probabilitate de scurgere a argonului format în mineralul deja întărit. Utilizarea metodei radiocarbonului se confruntă, de asemenea, cu dificultăți - carbonul organic îngropat poate fi contaminat cu carbon lateral - atât „vechi” (cu un procent mic de 14 C), cât și „tânăr”.

Fiecare dintre metodele radiometrice poate da datări incorecte. Prin urmare, oamenii de știință încearcă să dateze același strat folosind mai multe metode independente. Dacă rezultatele sunt mai mult sau mai puțin aceleași, este în regulă, dar dacă nu, începeți să căutați posibile surse de eroare.

Să punem ceasurile

Inexactitatea majorității metodelor de geocronologie absolută nu oferă motive pentru a nega fiabilitatea datării în arheologie, paleontologie și biologie evolutivă. Principalul avantaj al acestor metode este că sunt multe. Și vârsta siturilor de cercetare de astăzi este de obicei determinată de mai multe metode independente. În majoritatea cazurilor, ele dau rezultate similare, care corespund și celor date de geocronologia relativă - în funcție de dispunerea stratelor geologice.