FRANK K. MCKINNEY

L’ETÀ dei fossili incuriosisce quasi tutti. Gli studenti non solo vogliono sapere quanti anni ha un fossile, ma vogliono sapere come è stata determinata quell’età. Alcuni principi molto semplici sono usati per determinare l’età dei fossili. Gli studenti dovrebbero essere in grado di comprendere i principi e averlo come sfondo in modo che le determinazioni dell’età da parte di paleontologi e geologi non sembrino magia nera.

Esistono due tipi di determinazione dell’età., Geologi nel tardo 18 ° e l “inizio del 19 ° secolo studiato strati di roccia ei fossili in loro per determinare l” età relativa. William Smith è stato uno dei più importanti scienziati di questo periodo che ha contribuito a sviluppare la conoscenza della successione di diversi fossili studiando la loro distribuzione attraverso la sequenza di rocce sedimentarie nel sud dell’Inghilterra. Non è stato fino a ben nel 20 ° secolo che le informazioni sufficienti avevano accumulato circa il tasso di decadimento radioattivo che l “età delle rocce e fossili in numero di anni potrebbe essere determinato attraverso l” età radiometrica incontri.,

Questa attività sulla determinazione dell’età delle rocce e dei fossili è destinata agli studenti di 8 ° o 9 ° grado. Si stima che richieda quattro ore di lezione, tra cui circa un’ora totale di istruzioni e spiegazioni occasionali da parte dell’insegnante e due ore di attività di gruppo (team) e individuali da parte degli studenti, più un’ora di discussione tra gli studenti all’interno dei gruppi di lavoro.,

Esplora questo link per ulteriori informazioni sugli argomenti trattati in questa lezione:

  • Tempo Geologico

FINALITÀ E OBIETTIVI

Questa attività aiuterà gli studenti di avere una migliore comprensione dei principi di base utilizzato per determinare l’età delle rocce e dei fossili. Questa attività consiste di diverse parti. Gli obiettivi di questa attività sono:
1) Far sì che gli studenti determinino l’età relativa di un’area geologicamente complessa.
2) Per familiarizzare gli studenti con il concetto di emivita nel decadimento radioattivo.,
3) Per far vedere agli studenti che le singole esecuzioni di processi statistici sono meno prevedibili della media di molte esecuzioni (o che le esecuzioni con numeri relativamente piccoli coinvolti sono meno affidabili delle esecuzioni con molti numeri).
4) Per dimostrare come il tasso di decadimento radioattivo e l’accumulo del prodotto di decadimento risultante viene utilizzato nella datazione radiometrica delle rocce.

5) Usare la datazione radiometrica e i principi di determinazione dell’età relativa per mostrare come le età delle rocce e dei fossili possono essere ridotte anche se non possono essere datate radiometricamente.,
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MATERIALI NECESSARI PER OGNI GRUPPO

1) Schema a blocchi (Figura 1).
2) Tazza grande o altro contenitore in cui M & M può essere scosso.
3) 100 M& M
4) Carta millimetrata (Figura 2).
5) Orologio o orologio che mantiene il tempo di secondi. (Un singolo orologio o orologio per l’intera classe farà.)
6) Pezzo di carta segnato TEMPO e indicando sia 2, 4, 6, 8, o 10 minuti.,
7) 128 piccole carte o bottoni che possono essere tagliati da cartone o carta da costruzione, preferibilmente con un colore diverso sui lati opposti, ciascuno contrassegnato con “U-235” tutti su un lato colorato e “Pb-207” sul lato opposto che ha qualche colore contrastante.,



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PARTE 1: La DETERMINAZIONE di ETÀ RELATIVA DELLE ROCCE

Ogni squadra di 3 a 5 studenti dovrebbero discutere insieme come determinare l’età relativa di ciascuno di roccia unità nel diagramma a blocchi (Figura 1). Dopo che gli studenti hanno deciso come stabilire l’età relativa di ciascuna unità di roccia, dovrebbero elencarli sotto il blocco, dal più recente in cima alla lista al più vecchio in fondo.,

L’insegnante dovrebbe dire agli studenti che ci sono due principi di base utilizzati dai geologi per determinare la sequenza di età delle rocce. Essi sono:
Principio di sovrapposizione: Le rocce sedimentarie più giovani si depositano in cima a rocce sedimentarie più vecchie.
Principio delle relazioni trasversali: Qualsiasi caratteristica geologica è più giovane di qualsiasi altra cosa che taglia.

PARTE 2: DATAZIONE RADIOMETRICA DELL’ETÀ

Alcuni elementi hanno forme (chiamate isotopi) con nuclei atomici instabili che hannouna tendenza a cambiare o decadere., Ad esempio, U-235 è un isotopo instabile ofuranium che ha 92 protoni e 143 neutroni nel nucleoe di ciascun atomo. Attraverso una serie di cambiamenti all’interno del nucleo, emette diverse particelle, finendo con 82 protoni e 125 neutroni. Questa è una condizione stabile e non ci sononon ci sono più cambiamenti nel nucleo atomico. Un nucleo con quel numero di protonisi chiama piombo (simbolo chimico Pb). I protoni (82) e i neutroni (125) totali207. Questa particolare forma (isotopo) di piombo è chiamata Pb-207. U-235 è il parentisotopo di Pb-207, che è l’isotopo figlia.,

Molte rocce contengono piccole quantità di isotopi instabili e gli isotopi figlia in cui decadono. Dove la quantità di isotopi genitore e figlia possono essere misurati con precisione, il rapporto può essere utilizzato per determinare quanti anni la roccia è, come mostrato nelle seguenti attività.

Parte 2a Attività-In qualsiasi momento c’è una piccola possibilità che ciascuno dei nuclei di U-235 decada improvvisamente. Quella possibilità di decadimento è molto piccola, ma è sempre presente e non cambia mai. In altre parole, i nuclei non “si consumano” o si “stancano”., Se il nucleo non è ancora decaduto, c’è sempre la stessa, leggera possibilità che cambierà nel prossimo futuro.

I nuclei atomici sono tenuti insieme da un’attrazione tra le grandi particelle nucleari (protoni e neutroni) che è nota come “forza nucleare forte”, che deve superare la repulsione elettrostatica tra i protoni all’interno del nucleo., In generale, ad eccezione del singolo protone che costituisce il nucleo dell’isotopo più abbondante dell’idrogeno, il numero di neutroni deve essere almeno uguale al numero di protoni in un nucleo atomico, perché la repulsione elettrostatica vieta l’imballaggio più denso di protoni. Ma se ci sono troppi neutroni, il nucleo è potenzialmente instabile e il decadimento può essere attivato. Ciò accade in qualsiasi momento quando l’aggiunta della fugace “forza nucleare debole” alla repulsione elettrostatica sempre presente supera l’energia di legame necessaria per tenere insieme il nucleo.,

Misurazioni molto accurate in laboratorio, effettuate su un numero MOLTO elevato di atomi di U-235, hanno dimostrato che ciascuno degli atomi ha una probabilità 50:50 di decadere durante circa 704.000.000 di anni. In altre parole, durante 704 milioni di anni, metà degli atomi di U-235 che esistevano all’inizio di quel tempo decadranno in Pb-207. Ciò è conosciuta come l’emivita di U-235. Molti elementi hanno alcuni isotopi che sono instabili, essenzialmente perché hanno troppi neutroni per essere bilanciati dal numero di protoni nel nucleo. Ciascuno di questi isotopi instabili ha una propria emivita caratteristica., Alcune emivita sono lunghi diversi miliardi di anni, e altri sono brevi come un decimillesimo di secondo.
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Un modo gustoso per gli studenti di capire circa half life è quello di dare ogni squadra 100 pezzi di “regolare” M & M caramelle. Su un pezzo di carta per notebook, ogni pezzo deve essere posizionato con la M stampata rivolta verso il basso. Questo rappresenta l’isotopo genitore., La caramella deve essere versata in un contenitore abbastanza grande da poter rimbalzare liberamente, deve essere agitata accuratamente, quindi versata sulla carta in modo che sia sparsa invece di fare una pila. Questa prima volta di agitazione rappresenta un “emivita, e tutti quei pezzi di caramelle che hanno la M stampato rivolto verso l” alto rappresentano un cambiamento per l ” isotopo figlia. La squadra dovrebbe raccogliere e mettere da parte SOLO quei pezzi di caramelle che hanno la M rivolta verso l’alto. Quindi, conta il numero di pezzi di caramelle rimasti con la M rivolta verso il basso., Questi sono l’isotopo genitore che non è cambiato durante la prima emivita.

L’insegnante deve avere ogni squadra rapporto quanti pezzi di isotopo genitore rimangono, e la prima riga della tabella di decadimento (Figura 2) deve essere compilato e il numero medio calcolato. La stessa procedura di agitazione, contando i “sopravvissuti” e riempiendo la riga successiva sul tavolo di decadimento dovrebbe essere eseguita altre sette o otto volte. Ogni volta rappresenta un’emivita.

Dopo aver raccolto i risultati dell’emivita finale di M& M, le caramelle non sono più necessarie.,

Ogni squadra dovrebbe tracciare su un grafico (Figura 3) il numero di pezzi di caramelle rimanenti dopo ciascuno dei loro “frullati” e collegare ogni punto successivo sul grafico con una linea chiara. Sullo stesso grafico ogni squadra dovrebbe tracciare i VALORI MEDI per la classe nel suo complesso e collegarlo con una linea più pesante. E, sullo stesso grafico, ogni gruppo dovrebbe tracciare punti in cui, dopo ogni “scossa” il numero iniziale è diviso esattamente per due e collegare questi punti con una linea di colore diverso. (Questa linea inizia a 100; il punto successivo è 100 / 2, o 50; il punto successivo è 50/2, o 25; e così via.,)

Dopo che i grafici sono stati tracciati, l’insegnante dovrebbe guidare la classe a pensare a:
1) Perché ogni gruppo non ha ottenuto gli stessi risultati?
2) Che segue meglio la linea calcolata matematicamente? Sono i risultati del singolo gruppo o è la linea basata sulla media della classe? Perché?
3) Gli studenti hanno avuto un tempo più facile indovinare (predire) i risultati quando c’erano molti pezzi di caramelle nella tazza, o quando ce n’erano pochissimi? Perché?

U-235 si trova nella maggior parte delle rocce ignee., A meno che la roccia non venga riscaldata ad una temperatura molto elevata, sia l’U-235 che la sua figlia Pb-207 rimangono nella roccia. Un geologo può confrontare la proporzione di atomi di U-235 con Pb-207 prodotti da esso e determinare l’età della roccia. La parte successiva di questo esercizio mostra come questo è fatto.
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Parte 2b Attività — Ogni squadra riceve 128 pezzi piatti, con U-235 scritto su un lato e Pb-207 scritto sull’altro lato. Ogni squadra è dato un pezzo di carta segnato TEMPO, su cui è scritto sia 2, 4, 6, 8, o 10 minuti.,

La squadra deve posizionare ogni pezzo segnato in modo che “U-235″ sta mostrando. Questo rappresenta l’uranio-235, che emette una serie di particelle dal nucleo mentre decade in Piombo-207 (Pb-207). Quando ogni squadra è pronta con i 128 pezzi che mostrano tutti” U-235″, dovrebbe iniziare un intervallo di due minuti a tempo. Durante quel periodo ogni squadra gira la metà dei pezzi U-235 in modo che ora mostrino Pb-207. Ciò rappresenta una “emivita” di U-235, che è il tempo affinchè la metà dei nuclei cambi dal genitore U-235 alla figlia Pb-207.

Inizia un nuovo intervallo di due minuti., Durante questo periodo la squadra dovrebbe consegnare METÀ DELL’U-235 CHE È STATO LASCIATO DOPO IL PRIMO INTERVALLO DI TEMPO. Continuare attraverso un totale di 4 a 5 intervalli cronometrati.

Tuttavia, ogni squadra dovrebbe SMETTERE di girare i pezzi al momento segnato sui loro documenti TEMPORALI. Cioè, ogni squadra dovrebbe fermarsi in base al proprio documento TEMPORALE alla fine del primo intervallo cronometrato (2 minuti), o alla fine del secondo intervallo cronometrato (4 minuti) e così via. Dopo che tutti gli intervalli cronometrati si sono verificati, le squadre dovrebbero scambiarsi i posti tra loro secondo le istruzioni dell’insegnante., Il compito ora per ogni squadra è quello di determinare quanti intervalli cronometrati (cioè quante emivite) il set di pezzi che stanno guardando ha sperimentato.

L’emivita di U-235 è di 704 milioni di anni. Sia la squadra che ha girato un set di pezzi che la seconda squadra che ha esaminato il set dovrebbe determinare quanti milioni di anni sono rappresentati dalla proporzione di U-235 e Pb-207 presenti, confrontare le note e contrattare su eventuali differenze che hanno ottenuto., (A destra, ogni squadra deve determinare il numero di milioni di anni rappresentati dal set che loro stessi hanno girato, PIÙ il numero di milioni di anni rappresentati dal set che un’altra squadra ha girato.)

PARTE 3: METTERE DATE SU ROCCE E FOSSILI

Per il diagramma a blocchi (Figura 1) all’inizio di questo esercizio, il rapporto tra U-235:Pb-207 atomi nella pegmatite è 1:1 e il loro rapporto nel granito è 1:3. Usando lo stesso ragionamento sulle proporzioni come nella Parte 2b sopra, gli studenti possono determinare quanti anni hanno la pegmatite e il granito., Dovrebbero scrivere le età della pegmatite e del granito accanto ai nomi delle rocce nell’elenco sotto lo schema a blocchi (Figura 1).

Tracciando l’emivita su un tipo di scala nota come scala logaritmica, la linea curva come quella per l’attività MTM M& può essere raddrizzata, come si può vedere nel grafico in Figura 4. Ciò rende la curva più utile, perché è più facile tracciarla in modo più accurato. Ciò è particolarmente utile per i rapporti tra isotopo genitore e isotopo figlia che rappresentano meno di un’emivita., Per il diagramma a blocchi (Figura 1), se un laboratorio geochimico determina che la cenere vulcanica che si trova nel siltstone ha un rapporto di U-235:Pb-207 di 47:3 (94% dell’originale U-235 rimane), ciò significa che la cenere ha 70 milioni di anni (vedi Figura 4). Se il rapporto nel basalto è 7: 3 (rimane il 70% dell’originale U-235), allora il basalto ha 350 milioni di anni (di nuovo, vedi Figura 4). Gli studenti dovrebbero scrivere l ” età della cenere vulcanica accanto allo scisto, siltstone e basalto sulla lista sotto lo schema a blocchi.,
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DOMANDE PER LA DISCUSSIONE

1) In base alle età radiometriche disponibili, è possibile determinare l’età possibile dell’unità di roccia che ha acritarchi e batteri? Che è? Perché non puoi dire esattamente qual è l’età della roccia?
2) Si può determinare la possibile età dell’unità di roccia che ha trilobiti? Che è? Perché non puoi dire esattamente qual è l’età della roccia?
3) Qual è l’età della roccia che contiene i fossili di Triceratopo?, Perché si può essere più precisi circa l “età di questa roccia che si potrebbe circa l” età della roccia che ha i trilobiti e la roccia che contiene acritarchi e batteri?

Nota per gli insegnanti: Sulla base di relazioni trasversali, è stato stabilito che la pegmatite è più giovane della lavagna e che la lavagna è più giovane del granito. Pertanto, l’ardesia che contiene l’acritarca e i batteri ha tra 704 milioni di anni e 1408 milioni di anni, perché la pegmatite ha 704 milioni di anni e il granito ha 1408 milioni di anni., L ” ardesia stessa non può essere radiometricamente datato, così può essere solo tra parentesi tra le età del granito e la pegmatite.

Il calcare trilobite-cuscinetto sovrappone l’arenaria di quarzo, che attraversa la pegmatite, e il basalto taglia attraverso il calcare. Pertanto i trilobiti e la roccia che li contiene devono essere più giovani di 704 milioni di anni (l’età della pegmatite) e più vecchi di 350 milioni di anni (l’età del basalto). Il calcare stesso non può essere radiometricamente datato, così può essere solo tra parentesi tra le età del granito e la pegmatite.,

I fossili di dinosauro Triceratops hanno circa 70 milioni di anni, perché si trovano in scisti e siltstone che contengono ceneri vulcaniche datate radiometricamente a 70 milioni di anni. Qualsiasi Triceratopo trovato sotto la cenere vulcanica può essere un po ‘più vecchio di 70 milioni di anni, e qualsiasi trovato sopra può essere un po’ più giovane di 70 milioni di anni., L’età del Triceratopo può essere determinata più da vicino di quella degli acritarchi e dei batteri e di quella dei trilobiti perché l’unità di roccia che contiene il Triceratopo può essere a sua volta radiometricamente datata, mentre quella degli altri fossili non poteva.