FRANK K. MCKINNEY

åldern av fossil intriger nästan alla. Eleverna vill inte bara veta hur gammal en fossil är, men de vill veta hur den åldern bestämdes. Några mycket enkla principer används för att bestämma fossilernas ålder. Eleverna ska kunna förstå principerna och ha det som bakgrund så att åldersbestämningar av paleontologer och geologer inte verkar som svart magi.

det finns två typer av åldersbestämningar., Geologer i slutet av 1700-och början av 1800-talet studerade bergskikt och fossilerna i dem för att bestämma relativ ålder. William Smith var en av de viktigaste forskarna från denna tid som hjälpte till att utveckla kunskap om successionen av olika fossiler genom att studera deras fördelning genom sekvensen av sedimentära bergarter i södra England. Det var inte förrän långt in i 20-talet att tillräckligt med information hade ackumulerats om graden av radioaktivt sönderfall att åldern av stenar och fossil i antal år kunde bestämmas genom radiometrisk ålder dejting.,

denna aktivitet vid bestämning av ålder av stenar och fossiler är avsedd för 8: e eller 9: e klass studenter. Det beräknas kräva fyra timmars klasstid, inklusive ungefär en timmes Total tillfällig undervisning och förklaring från läraren och två timmars grupp (team) och individuella aktiviteter av eleverna, plus en timmes diskussion bland studenter inom arbetsgrupperna.,

utforska denna länk för ytterligare information om de ämnen som omfattas av den här lektionen:

  • geologisk tid

syfte och mål

den här aktiviteten hjälper eleverna att få en bättre förståelse för de grundläggande principerna som används för att bestämma åldern på stenar och fossiler. Denna aktivitet består av flera delar. Syftet med denna verksamhet är:
1) att få eleverna att bestämma relativ ålder av ett geologiskt komplext område.
2) att bekanta studenter med begreppet halveringstid i radioaktivt förfall.,
3) för att få eleverna att se att enskilda körningar av statistiska processer är mindre förutsägbara än genomsnittet av många körningar (eller som körs med relativt små antal inblandade är mindre pålitliga än körningar med många siffror).
4) för att visa hur graden av radioaktivt sönderfall och uppbyggnaden av den resulterande sönderfallsprodukten används vid radiometrisk datering av stenar.
5) att använda radiometrisk dejting och principerna för att bestämma relativ ålder för att visa hur åldrar av stenar och fossil kan minskas även om de inte kan dateras radiometriskt.,
återgå till topp

material som krävs för varje grupp

1) blockdiagram (Figur 1).
2) stor kopp eller annan behållare där M & m kan skakas.
3) 100 m& m: s
4) grafpapper (Figur 2).
5) klocka eller klocka som håller tiden till sekunder. (En enda klocka eller klocka för hela klassen kommer att göra.)
6) papper märkt tid och anger antingen 2, 4, 6, 8 eller 10 minuter.,
7) 128 små kort eller knappar som kan klippas från kartong eller byggpapper, helst med en annan färg på motsatta sidor, var och en märkta med ”U-235″ alla på en färgad sida och” Pb-207 ” på motsatt sida som har någon kontrasterande färg.,



återgå till topp

del 1: bestämma relativ ålder av stenar

varje team av 3 till 5 studenter bör diskutera tillsammans hur man bestämmer den relativa åldern för var och en av stenenheterna i blockdiagrammet (figur 1). Efter att eleverna har bestämt sig för hur man fastställer den relativa åldern för varje rockenhet, bör de lista dem under blocket, från senaste högst upp på listan till äldsta längst ner.,

läraren ska berätta för eleverna att det finns två grundläggande principer som används av geologer för att bestämma sekvensen av åldrar av stenar. De är:
principen om överlagring: yngre sedimentära bergarter deponeras ovanpå äldre sedimentära bergarter.
principen om övergripande relationer: någon geologisk funktion är yngre än något annat som det skär över.

del 2: radiometrisk ålder-DATING

vissa element har former (kallade isotoper) med instabila atomkärnor som haren tendens att förändras eller förfallna., Till exempel, U-235 är en instabil isotop ofuranium som har 92 protoner och 143 neutroner i nucl eus av varje atom. Genom en serie förändringar inom kärnan avger den flera partiklar, som slutar med 82 protoner och 125 neutroner. Detta är ett stabilt tillstånd, och det finnså fler förändringar i atomkärnan. En kärna med det antalet protonkallas bly (kemisk symbol Pb). Protoner (82) och neutroner (125) totalt207. Denna speciella form (isotop) av bly kallas Pb-207. U-235 är parentisotopen av Pb-207, som är dotterisotopen.,

många stenar innehåller små mängder instabila isotoper och dotterisotoper i vilka de förfaller. Om mängden föräldra-och dotterisotoper kan mätas noggrant kan förhållandet användas för att bestämma hur gammal berget är, vilket visas i följande aktiviteter.

del 2a aktivitet-när som helst finns det en liten chans att var och en av kärnorna i U-235 plötsligt kommer att förfallna. Risken för förfall är mycket liten, men det är alltid närvarande och det förändras aldrig. Med andra ord, kärnorna inte ”slita ut”eller bli ”trött”., Om kärnan ännu inte har förfallit, finns det alltid samma, liten chans att den kommer att förändras inom en snar framtid.

atomkärnor hålls samman av en attraktion mellan de stora kärnpartiklarna (protoner och neutroner) som kallas ”stark kärnkraft”, som måste överstiga den elektrostatiska repulsionen mellan protonerna inom kärnan., I allmänhet, med undantag för den enda proton som utgör kärnan i den mest rikliga isotopen av väte, måste antalet neutroner åtminstone motsvara antalet protoner i en atomkärna, eftersom elektrostatisk repulsion förbjuder tätare packning av protoner. Men om det finns för många neutroner är kärnan potentiellt instabil och förfall kan utlösas. Detta händer när som helst när tillsatsen av den flyktiga ”svaga kärnkraften” till den ständigt närvarande elektrostatiska repulsionen överstiger den bindande energi som krävs för att hålla kärnan ihop.,

mycket noggranna mätningar i laboratorier, gjorda på mycket stort antal U-235-atomer, har visat att var och en av atomerna har en 50:50 chans att förfalla under cirka 704,000,000 år. Med andra ord, under 704 miljoner år kommer hälften av U-235-atomerna som fanns i början av den tiden att förfalla till Pb-207. Detta är känt som halveringstiden för U-235. Många element har vissa isotoper som är instabila, i huvudsak eftersom de har för många neutroner att balanseras av antalet protoner i kärnan. Var och en av dessa instabila isotoper har sin egen karakteristiska halveringstid., Några halveringstider är flera miljarder år långa, och andra är så korta som en tio tusendels sekund.
återgå till toppen

ett gott sätt för eleverna att förstå ungefär halva livet är att ge varje lag 100 bitar av ”vanlig” m& M godis. På en bit anteckningsbokspapper ska varje bit placeras med den tryckta M vänd nedåt. Detta representerar moderisotopen., Godiset ska hällas i en behållare som är tillräckligt stor för att de ska studsa fritt, det ska skakas noggrant och hällas sedan tillbaka på papperet så att det sprids ut istället för att göra en hög. Denna första skakning representerar en halveringstid, och alla de bitar av godis som har den tryckta M vänd uppåt representerar en förändring till dotter isotopen. Laget bör plocka upp och avsätta endast de bitar av godis som har M vänd upp. Sedan räkna antalet bitar av godis kvar med M vänd nedåt., Dessa är den överordnade isotopen som inte förändrades under den första halveringstiden.

läraren ska ha varje grupp rapporterar hur många delar av moderisotop kvar, och den första raden i sönderfallstabellen (Figur 2) ska fyllas i och det genomsnittliga antalet beräknas. Samma procedur för att skaka, räkna ”överlevande” och fylla i nästa rad på förfallna bordet bör göras sju eller åtta gånger. Varje gång representerar ett halvt liv.

efter resultaten av den slutliga ”halveringstiden” av m& m samlas in behövs inte godisarna längre.,

varje lag ska rita på en graf (Figur 3) antalet bitar av godis kvar efter var och en av deras ”skakningar” och ansluta varje successiv punkt på grafen med en ljuslinje. På samma graf ska varje lag rita medelvärdena för klassen som helhet och ansluta den med en tyngre linje. Och på samma graf bör varje grupp plotta punkter där startnumret efter varje” skaka ” divideras med exakt två och förbinder dessa punkter med en olikfärgad linje. (Denna linje börjar vid 100; nästa punkt är 100 / 2, eller 50; nästa punkt är 50/2, eller 25; och så vidare.,)

efter graferna ritas bör läraren styra klassen till att tänka på:
1) Varför fick inte varje grupp samma resultat?
2) som följer den matematiskt beräknade linjen bättre? Är det den enda gruppens resultat, eller är det linjen baserad på klassgenomsnittet? Varför?
3) hade eleverna lättare att gissa (förutsäga) resultaten när det fanns många bitar godis i koppen, eller när det var väldigt få? Varför?

U-235 finns i de flesta magmatiska stenar., Om inte berget värms till en mycket hög temperatur, förblir både U-235 och dess dotter Pb-207 kvar i berget. En geolog kan jämföra andelen U-235 atomer till Pb-207 som produceras av den och bestämma stenens ålder. Nästa del av denna övning visar hur detta görs.
återgå till toppen

del 2b aktivitet — varje lag får 128 platta bitar, med U-235 skriven på ena sidan och PB-207 skriven på den andra sidan. Varje lag ges ett papper markerad tid, som skrivs antingen 2, 4, 6, 8 eller 10 minuter.,

laget ska placera varje markerat stycke så att ”U-235” visas. Detta representerar uran-235, som avger en serie partiklar från kärnan när den sönderfaller till bly-207 (Pb-207). När varje lag är redo med 128-bitarna som alla visar ”U-235″, bör ett tidsinställt intervall på två minuter börja. Under den tiden vänder varje lag över hälften av U-235-bitarna så att de nu visar PB-207. Detta representerar en” halveringstid ” av U-235, vilket är tiden för hälften av kärnorna att byta från föräldern U-235 till dottern Pb-207.

ett nytt intervall på två minuter börjar., Under denna tid ska laget vända över hälften av U-235 som lämnades efter det första tidsintervallet. Fortsätt genom totalt 4 till 5 tidsintervaller.

varje lag bör dock sluta vända bitar vid den tidpunkt som anges på deras tidspapper. Det vill säga, Varje lag ska sluta enligt deras tidspapper i slutet av det första tidsintervallet (2 minuter) eller i slutet av det andra tidsintervallet (4 minuter) och så vidare. När alla tidsintervaller har inträffat ska lag byta plats med varandra enligt instruktioner från läraren., Uppgiften nu för varje lag är att bestämma hur många tidsintervaller (det vill säga hur många halveringstider) den uppsättning bitar som de tittar på har upplevt.

halveringstiden för U-235 är 704 miljoner år. Både laget som vände över en uppsättning bitar och det andra laget som undersökte uppsättningen bör bestämma hur många miljoner år som representeras av andelen U-235 och Pb-207 närvarande, jämföra anteckningar och pruta om eventuella skillnader som de fick., (Höger, varje lag måste bestämma antalet miljoner år som representeras av den uppsättning som de själva vände över, PLUS antalet miljoner år som representeras av den uppsättning som ett annat lag vände över.)

del 3: att sätta datum på stenar och fossil

för blockdiagrammet (Figur 1) i början av denna övning är förhållandet mellan U-235:PB-207 atomer i pegmatiten 1:1 och deras förhållande i graniten är 1:3. Med samma resonemang om proportioner som i del 2b ovan kan eleverna bestämma hur gammal pegmatiten och graniten är., De ska skriva åldrarna av pegmatiten och graniten bredvid namnen på stenarna i listan under blockdiagrammet (Figur 1).

genom att rita halveringstiden på en typ av skala som kallas en logaritmisk skala kan den böjda linjen som den för M & MTM-aktivitet rätas ut, som du kan se i diagrammet i Figur 4. Detta gör kurvan mer användbar, eftersom det är lättare att plotta det mer exakt. Det är särskilt användbart för förhållandet mellan föräldraisotop till dotterisotop som representerar mindre än en halveringstid., För blockdiagrammet (Figur 1), om ett geokemiskt laboratorium bestämmer att den vulkaniska askan som finns i siltstenen har ett förhållande av U-235: PB-207 av 47: 3 (94% av den ursprungliga U-235 kvarstår), betyder det att askan är 70 miljoner år gammal (se Figur 4). Om förhållandet i basaltet är 7: 3 (70% av den ursprungliga U-235 förblir), är basaltet 350 miljoner år gammalt (igen, se Figur 4). Eleverna ska skriva åldern på den vulkaniska askan bredvid skiffer, siltsten och basalt på listan under blockdiagrammet.,
återgå till topp

frågor för diskussion

1) baserat på tillgängliga radiometriska åldrar, kan du bestämma den möjliga åldern för rockenheten som har akritarker och bakterier? Vad är det? Varför kan du inte säga exakt vad Stenåldern är?
2) kan du bestämma den möjliga åldern för rockenheten som har trilobiter? Vad är det? Varför kan du inte säga exakt vad Stenåldern är?
3) Vad är åldern på berget som innehåller Triceratops fossil?, Varför kan du vara mer exakt om åldern på denna sten än du kunde om åldrarna av berget som har trilobiterna och berget som innehåller akritarker och bakterier?

Anmärkning för lärare: baserat på tvärgående relationer fastställdes att pegmatiten är yngre än skiffer och att skiffer är yngre än graniten. Därför är skiffer som innehåller akritarken och bakterierna mellan 704 miljoner år och 1408 miljoner år gamla, eftersom pegmatiten är 704 miljoner år gammal och graniten är 1408 miljoner år gammal., Skiffer själv kan inte radiometriskt dateras, så kan bara varieras mellan granitens och pegmatitens åldrar.

den trilobitbärande kalkstenen överlagrar kvartsandstenen, som korsar pegmatiten och basalten skär genom kalkstenen. Därför måste trilobiterna och berget som innehåller dem vara yngre än 704 miljoner år (pegmatitens ålder) och äldre än 350 miljoner år (basaltets ålder). Kalkstenen i sig kan inte vara radiometriskt daterad, så kan endast gafflas mellan granitens och pegmatitens åldrar.,

Triceratops dinosauriefossil är cirka 70 miljoner år gamla, eftersom de finns i skiffer och siltsten som innehåller vulkanisk aska radiometriskt daterad på 70 miljoner år. Alla Triceratops som finns under Vulkanaskan kan vara lite äldre än 70 miljoner år, och alla som finns ovan kan vara lite yngre än 70 miljoner år., Åldern av Triceratops kan bestämmas närmare än den av de akritarker och bakterier och trilobites eftersom berget enhet som innehåller Triceratops kan själv vara radiometriskt daterad, medan den av de andra fossil kunde inte.