Radioaktivt decayEdit
Eksempel på en radioaktiv henfaldskæde fra bly-212 (212Pb) til at føre-208 (208Pb) . Hver forælder nuklid spontant henfalder til en datter nuklid (henfald produkt) via en α henfald eller en β− henfald. Det endelige henfaldsprodukt, bly-208 (208Pb), er stabilt og kan ikke længere gennemgå spontant radioaktivt henfald.
alt almindeligt stof består af kombinationer af kemiske elementer, hver med sit eget atomnummer, hvilket angiver antallet af protoner i atomkernen., Derudover, elementer kan eksistere i forskellige isotoper, med hver isotop af et element, der adskiller sig i antallet af neutroner i kernen. En bestemt isotop af et bestemt element kaldes et nuklid. Nogle nuklider er i sagens natur ustabile. Det vil sige, på et tidspunkt vil et atom af et sådant nuklid gennemgå radioaktivt henfald og spontant omdanne til et andet nuklid. Denne transformation kan udføres på en række forskellige måder, herunder alfa-henfald (emission af alfapartikler) og beta-henfald (elektronemission, positronemission eller elektronfangst)., En anden mulighed er spontan fission i to eller flere nuklider.
mens det tidspunkt, hvor en bestemt kerne henfalder, er uforudsigeligt, en samling af atomer af et radioaktivt nuklid henfalder eksponentielt med en hastighed beskrevet af en parameter kendt som halveringstiden, normalt givet i enheder af år, når man diskuterer dating teknikker. Efter en halveringstid er gået, den ene halvdel af atomerne i det pågældende nuklid vil være henfaldet til et “Datter” nuklid eller henfaldsprodukt., I mange tilfælde, datter nuklid selv er radioaktivt, hvilket resulterer i en henfald kæde, til sidst slutter med dannelsen af en stabil (ikke-radioaktiv) datter nuklid; hvert trin i en sådan kæde er kendetegnet ved en distinkt halveringstid. I disse tilfælde, normalt halveringstiden for interesse for radiometrisk dating er den længste i kæden, hvilket er den hastighedsbegrænsende faktor i den ultimative transformation af det radioaktive nuklid til dets stabile datter. Isotopiske systemer, der er blevet udnyttet til radiometriske dating har halveringstider spænder fra kun omkring 10 flere år (f. eks,, tritium) til over 100 milliarder år (f Sam samarium-147).
for de fleste radioaktive nuklider afhænger halveringstiden udelukkende af nukleare egenskaber og er i det væsentlige konstant. Dette er kendt, fordi henfaldskonstanter målt ved forskellige teknikker giver konsistente værdier inden for analytiske fejl, og alderen på de samme materialer er konsistente fra en metode til en anden. Det påvirkes ikke af eksterne faktorer som temperatur, tryk, kemisk miljø eller tilstedeværelse af et magnetisk eller elektrisk felt., De eneste undtagelser er nuklider, der forfalder ved processen med elektronfangst, såsom beryllium-7, strontium-85, og .irconium-89, hvis henfaldshastighed kan påvirkes af lokal elektrondensitet. For alle andre nuklider, andelen af det originale nuklid til dets henfaldsprodukter ændres på en forudsigelig måde, når det originale nuklid henfalder over tid.
denne forudsigelighed tillader de relative forekomster af beslægtede nuklider, der skal bruges som et ur til at måle tiden fra inkorporeringen af de originale nuklider i et materiale til nutiden., Naturen har bekvemt forsynet os med radioaktive nuklider, der har halveringstider, der spænder fra betydeligt længere end universets alder, til mindre end etepeptosekund. Dette gør det muligt at måle en meget bred vifte af aldre. Isotoper med meget lange halveringstider kaldes “stabile isotoper,” og isotoper med meget korte halveringstider er kendt som “uddøde isotoper.,”
Forfald konstant determinationEdit
Det radioaktive henfald konstant, og sandsynligheden for, at et atom vil forfald-per-år, er det solide fundament af fælles måling af radioaktivitet. Nøjagtigheden og præcisionen af bestemmelsen af en alder (og en nuklid ‘ s halveringstid) afhænger af nøjagtigheden og præcisionen af henfald konstant måling. In-vækst metode er en måde at måle henfaldskonstanten af et system, som involverer akkumulere datter nuklider., Desværre for nuklider med høje henfaldskonstanter (som er nyttige til dating meget gamle prøver), kræves lange perioder (årtier) for at akkumulere nok henfaldsprodukter i en enkelt prøve til nøjagtigt at måle dem. En hurtigere metode involverer anvendelse af partikeltællere til at bestemme alfa -, beta-eller gammaaktivitet og derefter dividere det med antallet af radioaktive nuklider. Imidlertid, det er udfordrende og dyrt at nøjagtigt bestemme antallet af radioaktive nuklider. Alternativt, henfaldskonstanter kan bestemmes ved at sammenligne isotopdata for klipper i kendt alder., Denne metode kræver, at mindst et af isotopsystemerne er meget præcist kalibreret, såsom Pb-Pb-systemet.
Nøjagtigheden af radiometrisk datingEdit
Termisk ionization mass spectrometer, der anvendes i radiometrisk datering.
den grundlæggende ligning af radiometrisk datering kræver, at hverken forældrenuklid eller datterproduktet kan komme ind eller forlade materialet efter dets dannelse., De mulige forvirrende virkninger af forurening af forældre-og datterisotoper skal overvejes, ligesom virkningerne af ethvert tab eller gevinst af sådanne isotoper siden prøven blev oprettet. Det er derfor vigtigt at have så mange oplysninger som muligt om det materiale, der dateres, og at kontrollere mulige tegn på ændring. Præcision forbedres, hvis der tages målinger på flere prøver fra forskellige steder i klippekroppen., Alternativt, hvis flere forskellige mineraler kan dateres fra den samme prøve og antages at være dannet af den samme begivenhed og var i ligevægt med reservoiret, da de dannede, de skulle danne en isochron. Dette kan reducere problemet med forurening. I uran-bly dating, concordia diagrammet anvendes som også mindsker problemet med nuklid tab. Langt om længe, korrelation mellem forskellige isotop dating metoder kan være nødvendige for at bekræfte en alder af en prøve. For eksempel blev alderen for amitso.gneisserne fra Vestgrønland bestemt til at være 3,60 0 0.,05 Ga (milliarder år siden) ved hjælp af uran–bly dating og 3.56 0 0.10 Ga (milliarder år siden) ved hjælp af bly–bly dating, resultater, der er i overensstemmelse med hinanden.,:142-143
Præcis radiometrisk dating generelt kræver, at den forælder, der har en tilstrækkelig lang halveringstid, at det vil være til stede i betydelig mængde, på det tidspunkt for måling (undtagen som beskrevet nedenfor under “Dating med kortvarig uddød radionuklider”), half-life af den forælder, der er præcist kendt, og nok af den datter produkt er fremstillet til at være præcist målt og adskiller sig fra det oprindelige beløb datter til stede i materialet. De procedurer, der anvendes til at isolere og analysere forældre og datter nuklider skal være præcise og præcise., Dette involverer normalt massespektrometri med isotopforhold.
præcisionen af en dateringsmetode afhænger delvis af halveringstiden for den involverede radioaktive isotop. For eksempel har carbon-14 en halveringstid på 5.730 år. Efter at en organisme har været død i 60,000 år, er der så lidt kulstof-14 tilbage, at nøjagtig datering ikke kan etableres. På den anden side falder koncentrationen af kulstof-14 så stejlt, at alderen på relativt unge rester kan bestemmes nøjagtigt inden for få årtier.,
Lukningstemperaturrediger
lukningstemperaturen eller blokeringstemperaturen repræsenterer den temperatur, under hvilken mineralet er et lukket system for de undersøgte isotoper. Hvis et materiale, der selektivt afviser datternuklidet, opvarmes over denne temperatur, eventuelle datternuklider, der er akkumuleret over tid, vil gå tabt gennem diffusion, nulstilling af det isotopiske “ur” til nul. Når mineralet afkøles, krystalstrukturen begynder at danne sig, og diffusion af isotoper er mindre let., Ved en bestemt temperatur er krystalstrukturen dannet tilstrækkeligt til at forhindre diffusion af isotoper. Således begynder en stødende eller metamorf sten eller smelte, som langsomt afkøles, ikke at udvise målbart radioaktivt henfald, før det afkøles under lukningstemperaturen. Den alder, der kan beregnes ved radiometrisk datering, er således det tidspunkt, hvor klippen eller mineralet afkøles til lukningstemperatur. Denne temperatur varierer for hvert mineral-og isotopsystem, så et system kan lukkes for et mineral, men åbent for et andet., Datering af forskellige mineraler og / eller isotopsystemer (med forskellige lukningstemperaturer) inden for den samme klippe kan derfor muliggøre sporing af den pågældende bjergs termiske historie med tiden, og dermed kan historien om metamorfe begivenheder blive kendt detaljeret. Disse temperaturer bestemmes eksperimentelt i laboratoriet ved kunstigt at nulstille prøve mineraler ved hjælp af en høj temperatur ovn. Dette felt er kendt som termokronologi eller termokronometri.,
Den alder equationEdit
Lu-Hf isochrons plottet af meteoritten prøver. Alderen beregnes ud fra isochronens hældning (linje) og den oprindelige sammensætning fra isochronens aflytning med y-aksen.,
Den matematiske udtryk, der vedrører radioaktivt henfald til geologisk tid er
D* = D0 + N(t) (eλt − 1)
hvor
t er alder af prøven, D* er antallet af atomer i radiogenic datter isotop i stikprøven, D0 er antallet af atomer datter-isotop i den originale eller oprindelige sammensætning, N(t) er antallet af atomer i den overordnede isotop i prøve til tiden t (den nuværende), er givet ved N(t) = Noe-λt, og λ er henfaldet konstant af den forælder, isotop, svarende til den inverse af den radioaktive halveringstid af den forælder, isotop gange den naturlige logaritme af 2.,
ligningen udtrykkes mest bekvemt i form af den målte mængde N (t) snarere end den konstante startværdi nr.
for At beregne alder, det antages, at systemet er lukket (hverken moder eller datter isotoper er blevet tabt fra systemet), D0 skal enten være ubetydelig eller kan fastsættes nøjagtigt, λ er kendt for en høj præcision, og man har nøjagtige og præcise målinger af D* og N(t).
ovenstående ligning gør brug af oplysninger om sammensætningen af forældre-og datterisotoper på det tidspunkt, hvor materialet testes afkølet under dets lukningstemperatur., Dette er veletableret for de fleste isotopiske systemer. Imidlertid, konstruktion af en isochron kræver ikke information om de originale kompositioner, ved hjælp af blot de nuværende forhold mellem forældre-og datterisotoper til en standardisotop. En isochron plot bruges til at løse alder ligning grafisk og beregne alder af prøven og den oprindelige sammensætning.