radioaktiv dekayedit
exempel på en radioaktiv sönderfallskedja från lead-212 (212Pb) till lead-208 (208Pb) . Varje modernuklid sönderfaller spontant till en dotternuklid (sönderfallsprodukten) via ett α− sönderfall eller ett β-sönderfall. Den slutliga sönderfallsprodukten, bly-208 (208Pb), är stabil och kan inte längre genomgå spontan radioaktivt förfall.
all vanlig materia består av kombinationer av kemiska element, var och en med sitt eget atomnummer, vilket indikerar antalet protoner i atomkärnan., Dessutom kan element existera i olika isotoper, med varje isotop av ett element som skiljer sig åt i antalet neutroner i kärnan. En viss isotop av ett visst element kallas en nuklid. Vissa nuklider är ostabilt. Det är vid någon tidpunkt en atom av en sådan nuklid kommer att genomgå radioaktivt förfall och spontant omvandlas till en annan nuklid. Denna omvandling kan åstadkommas på ett antal olika sätt, inklusive alfaförfall (utsläpp av alfa-partiklar) och betaförfall (elektronutsläpp, positronutsläpp eller elektronfångst)., En annan möjlighet är spontan fission i två eller flera nuklider.
medan det ögonblick då en viss kärna sönderfaller är oförutsägbar, sönderfaller en samling atomer av en radioaktiv nuklid exponentiellt med en hastighet som beskrivs av en parameter som kallas halveringstiden, vanligtvis ges i enheter av år när man diskuterar datingtekniker. Efter en halveringstid har gått, kommer hälften av atomerna i nukliden i fråga att ha förfallit till en ”dotter” nuklid eller sönderfallsprodukt., I många fall är dotternukliden själv radioaktiv, vilket resulterar i en sönderfallskedja, som slutligen slutar med bildandet av en stabil (icke-radioaktiv) dotter nuklid; varje steg i en sådan kedja kännetecknas av en distinkt halveringstid. I dessa fall är vanligtvis halveringstiden av intresse för radiometrisk datering den längsta i kedjan, vilket är den hastighetsbegränsande faktorn vid den ultimata omvandlingen av den radioaktiva nukliden till sin stabila dotter. Isotopsystem som har utnyttjats för radiometrisk dejting har halveringstider som sträcker sig från endast cirka 10 år (t. ex.,, tritium) till över 100 miljarder år (t.ex. samarium-147).
för de flesta radioaktiva nuklider beror halveringstiden enbart på kärnegenskaper och är i huvudsak konstant. Detta är känt eftersom sönderfallskonstanter som mäts med olika tekniker ger konsekventa värden inom analytiska fel och åldrarna av samma material är konsekventa från en metod till en annan. Det påverkas inte av yttre faktorer som temperatur, tryck, kemisk miljö eller närvaro av ett magnetiskt eller elektriskt fält., De enda undantagen är nuklider som sönderfaller genom processen med elektronfångst, såsom beryllium-7, strontium-85 och zirkonium-89, vars sönderfallshastighet kan påverkas av lokal elektrondensitet. För alla andra nuklider ändras andelen av den ursprungliga nukliden till dess sönderfallsprodukter på ett förutsägbart sätt när den ursprungliga nukliden sönderfaller över tiden.
denna förutsägbarhet gör det möjligt att använda relaterade nukliders relativa överflöd som en klocka för att mäta tiden från införlivandet av de ursprungliga nukliderna i ett material till det nuvarande., Naturen har bekvämt försett oss med radioaktiva nuklider som har halveringstider som sträcker sig från betydligt längre än universums ålder till mindre än en zeptosekund. Detta gör att man kan mäta ett mycket brett spektrum av åldrar. Isotoper med mycket långa halveringstider kallas ” stabila isotoper ”och isotoper med mycket korta halveringstider kallas” utdöda isotoper.,”
Förfall konstant determinationEdit
Se också: Radioaktivt sönderfall lag
Det radioaktiva sönderfallet konstant, sannolikheten att en atom kommer att förfalla per år, är den fasta grunden för den gemensamma mätning av radioaktivitet. Noggrannheten och precisionen i bestämningen av en ålder (och en nuklids halveringstid) beror på noggrannheten och precisionen i sönderfallskonstantmätningen. Tillväxtmetoden är ett sätt att mäta sönderfallskonstanten hos ett system, vilket innebär att ackumulera dotternuklider., Tyvärr för nuklider med höga sönderfallskonstanter (som är användbara för att datera mycket gamla prover) krävs långa tidsperioder (årtionden) för att ackumulera tillräckligt med sönderfallsprodukter i ett enda prov för att noggrant mäta dem. En snabbare metod innebär att man använder partikelräknare för att bestämma alfa -, beta-eller gammaaktivitet och sedan dividera det med antalet radioaktiva nuklider. Det är dock utmanande och dyrt att exakt bestämma antalet radioaktiva nuklider. Alternativt kan sönderfallskonstanter bestämmas genom att jämföra isotopdata för stenar av känd ålder., Denna metod kräver att minst ett av isotopsystemen kalibreras mycket exakt, t.ex. Pb-Pb-systemet.
noggrannhet radiometrisk datingEdit
termisk jonisering masspektrometer som används i radiometrisk dejting.
den grundläggande ekvationen för radiometrisk dejting kräver att varken modernukliden eller dotterprodukten kan komma in eller lämna materialet efter bildandet., De eventuella förvirrande effekterna av kontaminering av moder-och dotterisotoper måste beaktas, liksom effekterna av förlust eller vinst av sådana isotoper sedan provet skapades. Det är därför viktigt att ha så mycket information som möjligt om materialet som dateras och att kontrollera eventuella tecken på förändring. Precisionen förbättras om mätningar tas på flera prover från olika platser i bergkroppen., Alternativt, om flera olika mineraler kan dateras från samma prov och antas bildas av samma händelse och var i jämvikt med reservoaren när de bildades, bör de bilda en isochron. Detta kan minska problemet med förorening. I uran-bly dejting, Concordia diagrammet används som också minskar problemet med nuklid förlust. Slutligen kan det krävas korrelation mellan olika isotopdatametoder för att bekräfta ett provs ålder. Till exempel bestämdes Amitsoq gneisses ålder från västra Grönland vara 3,60 ± 0.,05 Ga (miljarder år sedan) använder uran–bly dejting och 3.56 ± 0.10 Ga (miljarder år sedan) med bly–lead dejting, resultat som överensstämmer med varandra.,: 142-143
korrekt radiometrisk dejting kräver i allmänhet att föräldern har en tillräckligt lång halveringstid att den kommer att vara närvarande i betydande mängder vid tidpunkten för mätningen (utom som beskrivs nedan under ”Dating med kortlivade utdöda radionuklider”), är förälderns halveringstid exakt känd, och tillräckligt av dotterprodukten produceras för att noggrant mätas och särskiljas från den ursprungliga mängden av dottern som finns i materialet. De förfaranden som används för att isolera och analysera föräldern och dotternukliderna måste vara exakta och korrekta., Detta innebär normalt isotop-förhållande masspektrometri.
precisionen i en datingmetod beror delvis på halveringstiden för den radioaktiva isotopen som berörs. Till exempel har carbon-14 en halveringstid på 5 730 år. Efter en organism har varit död i 60.000 år, så lite kol-14 lämnas att korrekt dejting inte kan fastställas. Å andra sidan faller koncentrationen av kol-14 så brant att åldern för relativt unga rester kan bestämmas exakt inom några decennier.,
Stängningstemperatureedit
stängningstemperaturen eller blockeringstemperaturen representerar den temperatur under vilken mineralet är ett slutet system för de studerade isotoperna. Om ett material som selektivt avvisar dotternukliden upphettas över denna temperatur, kommer alla dotternuklider som har ackumulerats över tiden att gå förlorade genom diffusion och återställa den isotopiska ”klockan” till noll. När mineralet svalnar börjar kristallstrukturen att bildas och diffusion av isotoper är mindre lätt., Vid en viss temperatur har kristallstrukturen bildats tillräckligt för att förhindra diffusion av isotoper. Således börjar en magmatisk eller metamorfisk sten eller smälta, som långsamt kyler, inte uppvisa mätbart radioaktivt förfall tills det kyler under stängningstemperaturen. Den ålder som kan beräknas genom radiometrisk dejting är således den tid då berget eller mineralet kyls till förslutningstemperatur. Denna temperatur varierar för varje mineral-och isotopsystem, så ett system kan stängas för ett mineral men öppet för ett annat., Datering av olika mineraler och / eller isotopsystem (med olika stängningstemperaturer) inom samma sten kan därför möjliggöra spårning av den aktuella Bergens termiska historia med tiden, och därmed kan historien om metamorfa händelser bli känd i detalj. Dessa temperaturer bestäms experimentellt i labbet genom att artificiellt återställa provmineraler med hjälp av en högtemperaturugn. Detta fält är känt som termokronologi eller termokronometri.,
åldersekvationedit
Lu-Hf isochrons plottade av meteoritprover. Åldern beräknas från isochronens lutning (linje) och den ursprungliga kompositionen från isochronens avlyssning med Y-axeln.,
det matematiska uttrycket som relaterar radioaktivt sönderfall till geologisk tid är
D* = D0 + n(t) (eλt − 1)
där
T är ålder av provet, D* är antalet atomer av den radiogena dotterisotopen i provet, D0 är antalet atomer av dotterisotopen i den ursprungliga eller ursprungliga sammansättningen, n(t) är antalet atomer av moderisotopen i provet vid tidpunkten t (den nuvarande), givet av N(n). t) = noe-λt, och λ är sönderfallskonstanten för moderisotopen, lika med inversen av den radioaktiva halveringstiden för Moderisotopen gånger den naturliga logaritmen på 2.,
ekvationen uttrycks lämpligast i termer av den uppmätta kvantiteten N (t) snarare än det konstanta initialvärdet nr.
för att beräkna åldern antas det att systemet är stängt (varken moder-eller dotterisotoper har förlorats från systemet), d0 måste vara antingen försumbar eller kan uppskattas noggrant, λ är känt för hög precision och man har noggranna och exakta mätningar av D* och N(t).
ovanstående ekvation använder sig av information om sammansättningen av moder-och dotterisotoper vid den tidpunkt då materialet testas kyls under dess förslutningstemperatur., Detta är väl etablerat för de flesta isotopsystem. Byggandet av en isochron kräver emellertid inte information om de ursprungliga kompositionerna, med enbart de nuvarande förhållandena för moder-och dotterisotoper till en vanlig isotop. En isochronplot används för att lösa åldersekvationen grafiskt och beräkna provets ålder och den ursprungliga kompositionen.