Radioactifs decayEdit
Exemple d’une chaîne de désintégration radioactive de plomb-212 (212Pb) à plomb 208 (208Pb) . Chaque nucléide parent se désintègre spontanément en un nucléide fille (le produit de désintégration) via une désintégration α ou une désintégration β. Le produit de désintégration final, le plomb-208 (208Pb), est stable et ne peut plus subir de désintégration radioactive spontanée.
Toute matière ordinaire est constituée de combinaisons d’éléments chimiques, chacun avec son propre numéro atomique, indiquant le nombre de protons dans le noyau atomique., De plus, des éléments peuvent exister dans différents isotopes, chaque isotope d’un élément différant par le nombre de neutrons dans le noyau. Un isotope particulier d’un élément particulier est appelé un nucléide. Certains nucléides sont intrinsèquement instables. C’est-à-dire qu’à un moment donné, un atome d’un tel nucléide subira une désintégration radioactive et se transformera spontanément en un nucléide différent. Cette transformation peut être réalisée de différentes manières, y compris la désintégration alpha (émission de particules alpha) et la désintégration bêta (émission d’électrons, émission de positons ou capture d’électrons)., Une autre possibilité est la fission spontanée en deux nucléides ou plus.
Alors que le moment auquel un noyau particulier se désintègre est imprévisible, une collection d « atomes d » un nucléide radioactif se désintègre exponentiellement à une vitesse décrite par un paramètre connu sous le nom de demi-vie, généralement donné en unités d » années lors de la discussion sortir ensemble techniques. Une fois la demi-vie écoulée, la moitié des atomes du nucléide en question se sont désintégrés en un nucléide « fille » ou un produit de désintégration., Dans de nombreux cas, le nucléide fille lui-même est radioactif, ce qui entraîne une chaîne de désintégration, se terminant finalement par la formation d’un nucléide fille stable (non radioactif); chaque étape d’une telle chaîne est caractérisée par une demi-vie distincte. Dans ces cas, généralement la demi-vie d » intérêt en radiométrique sortir ensemble est la plus longue de la chaîne, qui est le facteur limitant la vitesse dans la transformation ultime du nucléide radioactif en sa fille stable. Les systèmes isotopiques qui ont été exploités pour la datation radiométrique ont des demi-vies allant de seulement environ 10 ans (par exemple.,, tritium) à plus de 100 milliards d’années (par exemple, samarium-147).
Pour la plupart des nucléides radioactifs, la demi-vie dépend uniquement des propriétés nucléaires et est essentiellement constante. Ceci est connu parce que les constantes de désintégration mesurées par différentes techniques donnent des valeurs cohérentes dans les erreurs analytiques et que les âges des mêmes matériaux sont cohérents d’une méthode à l’autre. Il n’est pas affecté par des facteurs externes tels que la température, la pression, l’environnement chimique ou la présence d’un champ magnétique ou électrique., Les seules exceptions sont les nucléides qui se désintègrent par capture d’électrons, tels que le béryllium-7, le strontium-85 et le zirconium-89, dont le taux de désintégration peut être affecté par la densité électronique locale. Pour tous les autres nucléides, la proportion du nucléide d’origine par rapport à ses produits de désintégration change de manière prévisible à mesure que le nucléide d’origine se désintègre au fil du temps.
Cette prévisibilité permet d’utiliser les abondances relatives des nucléides apparentés comme horloge pour mesurer le temps entre l’incorporation des nucléides originaux dans un matériau et le présent., La nature nous a commodément fourni des nucléides radioactifs qui ont des demi-vies qui vont de considérablement plus longtemps que l’âge de l’univers, à moins d’une zeptoseconde. Cela permet de mesurer un très large éventail d’âges. Les isotopes à très longue demi-vie sont appelés « isotopes stables », et les isotopes à très courte demi-vie sont appelés » isotopes éteints., »
Détermination de la constante de désintégrationmodifier
La constante de désintégration radioactive, la probabilité qu’un atome se désintègre par an, est la base solide de la mesure commune de la radioactivité. L’exactitude et la précision de la détermination de l’âge (et un nucléide de demi-vie) dépend de l’exactitude et de la précision de la constante de décroissance de la mesure. La méthode de croissance est une façon de mesurer la constante de désintégration d’un système, qui consiste à accumuler des nucléides filles., Malheureusement pour les nucléides avec des constantes de désintégration élevées (qui sont utiles pour dater des échantillons très anciens), de longues périodes de temps (décennies) sont nécessaires pour accumuler suffisamment de produits de désintégration dans un seul échantillon pour les mesurer avec précision. Une méthode plus rapide consiste à utiliser des compteurs de particules pour déterminer l’activité alpha, bêta ou gamma, puis à la diviser par le nombre de nucléides radioactifs. Cependant, il est difficile et coûteux de déterminer avec précision le nombre de nucléides radioactifs. Alternativement, les constantes de désintégration peuvent être déterminées en comparant les données isotopiques pour les roches d’âge connu., Cette méthode nécessite qu’au moins un des systèmes isotopiques soit calibré de manière très précise, tel que le système Pb-Pb.
Précision de radiométrique datingEdit
Thermique d’ionisation du spectromètre de masse utilisé dans la datation.
L’équation de base de la datation radiométrique exige que ni le nucléide parent ni le produit fille ne puissent entrer ou quitter le matériau après sa formation., Les effets confondants possibles de la contamination des isotopes parents et filles doivent être pris en compte, de même que les effets de toute perte ou gain de ces isotopes depuis la création de l’échantillon. Il est donc essentiel d’avoir autant d’informations que possible sur le matériel daté et de vérifier d’éventuels signes d’altération. La précision est améliorée si des mesures sont prises sur plusieurs échantillons provenant de différents endroits du corps rocheux., Alternativement, si plusieurs minéraux différents peuvent être datés à partir du même échantillon et sont supposés être formés par le même événement et étaient en équilibre avec le réservoir lorsqu’ils se sont formés, ils devraient former un isochron. Cela peut réduire le problème de contamination. Dans la datation uranium–plomb, le diagramme concordia est utilisé, ce qui diminue également le problème de la perte de nucléides. Enfin, corrélation entre différents isotopiques sortir ensemble des méthodes peuvent être nécessaires pour confirmer l « âge d » un échantillon. Par exemple, l’âge des gneiss d’Amitsoq de l’ouest du Groenland a été déterminé à 3,60 ± 0.,05 Ga (il y a un milliard d’années) en utilisant la datation uranium–plomb et 3,56 ± 0,10 Ga (il y a un milliard d’années) en utilisant la datation plomb–plomb, des résultats qui sont cohérents les uns avec les autres.,:142-143
La datation radiométrique précise exige généralement que le parent ait une demi-vie suffisamment longue pour qu’il soit présent en quantités significatives au moment de la mesure (sauf comme décrit ci-dessous sous « Datation avec des radionucléides éteints de courte durée »), que la demi-vie du parent soit connue avec précision et que suffisamment de produit fille soit produit pour être mesuré avec précision et distingué de la quantité initiale de la fille présente dans le matériau. Les procédures utilisées pour isoler et analyser les nucléides parents et filles doivent être précises et précises., Cela implique normalement la spectrométrie de masse à rapport isotopique.
La précision d’une méthode de datation dépend en partie de la demi-vie de l’isotope radioactif impliqués. Par exemple, le carbone 14 a une demi-vie de 5 730 ans. Après qu’un organisme ait été mort pendant 60 000 ans, il reste si peu de carbone 14 qu’une datation précise ne peut être établie. D’autre part, la concentration de carbone 14 diminue si fortement que l’âge des restes relativement jeunes peut être déterminé avec précision en quelques décennies.,
Température de fermementmodifier
La température de fermeture ou température de blocage représente la température en dessous de laquelle le minéral est un système fermé pour les isotopes étudiés. Si un matériau qui rejette sélectivement le nucléide fille est chauffé au-dessus de cette température, tous les nucléides filles accumulés au fil du temps seront perdus par diffusion, réinitialisant l ‘ « horloge » isotopique à zéro. À mesure que le minéral se refroidit, la structure cristalline commence à se former et la diffusion des isotopes est moins facile., À une certaine température, la structure cristalline s’est suffisamment formée pour empêcher la diffusion des isotopes. Ainsi, une roche ou une fonte ignée ou métamorphique, qui se refroidit lentement, ne commence pas à présenter une désintégration radioactive mesurable tant qu’elle ne refroidit pas en dessous de la température de fermeture. L » âge qui peut être calculé par radiométrique sortir ensemble est donc le moment auquel la roche ou le minéral refroidi à la température de fermeture. Cette température varie pour chaque système minéral et isotopique, de sorte qu’un système peut être fermé pour un minéral mais ouvert pour un autre., La datation de différents minéraux et / ou systèmes isotopiques (avec des températures de fermeture différentes) au sein d’une même roche peut donc permettre de suivre l’histoire thermique de la roche en question avec le temps, et ainsi l’histoire des événements métamorphiques peut être connue en détail. Ces températures sont déterminées expérimentalement en laboratoire en réinitialisant artificiellement les échantillons de minéraux à l’aide d’un four à haute température. Ce domaine est connu sous le nom de thermochronologie ou thermochronométrie.,
L’équationmodifier
Les isochrons Lu-Hf tracés des échantillons de météorites. L’âge est calculé à partir de la pente de la isochron (en ligne) et la composition d’origine de l’ordonnée à l’origine de l’isochrone avec l’axe des ordonnées.,
L’expression mathématique qui relie la désintégration radioactive au temps géologique est
D* = D0 + N(t) (eλt − 1)
où
t est l’âge de l’échantillon, D* est le nombre d’atomes de l’isotope fille radiogénique dans l’échantillon, D0 est le nombre d’atomes de l’isotope fille dans la composition originale ou initiale, N(t) est le nombre par N (t) = Noe-λt, et λ est la constante de désintégration de l’isotope parent, égale à l’inverse de la demi-vie radioactive de l’isotope parent multiplié par le logarithme naturel de 2.,
L’équation est plus commodément exprimée en termes de la quantité mesurée N(t) plutôt que de la valeur initiale constante No.
Pour calculer l’âge, on suppose que le système est fermé (ni les isotopes parents ni les isotopes filles n’ont été perdus du système), D0 doit être négligeable ou peut être estimé avec précision, λ est connu avec une grande précision et on a des mesures précises et précises de D* et N(t).
L’équation ci-dessus utilise des informations sur la composition des isotopes parents et filles au moment où le matériau testé refroidit en dessous de sa température de fermeture., Ceci est bien établi pour la plupart des systèmes isotopiques. Cependant, la construction d « un isochron ne nécessite pas d » informations sur les compositions originales, en utilisant simplement les rapports actuels des isotopes parents et filles à un isotope standard. Un diagramme isochrone est utilisé pour résoudre graphiquement l’équation d’âge et calculer l’âge de l’échantillon et la composition originale.