Jak naukowcy ustalają ile lat mają rzeczy?

Umiejętność dokładnego datowania lub określania wieku obiektu może nas nauczyć, kiedy powstała Ziemia, pomóc odkryć minione klimaty i powiedzieć, jak żyli wcześni ludzie. Jak więc naukowcy to robią?

Według ekspertów datowanie radiowęglowe jest jak dotąd najpowszechniejszą metodą. Ta metoda polega na pomiarze ilości węgla-14, radioaktywnego izotopu węgla – lub wersji atomu z inną liczbą neutronów. Węgiel-14 jest wszechobecny w środowisku. Po utworzeniu się wysoko w atmosferze rośliny wdychają go, a wydychają zwierzęta – powiedział Thomas Higham, archeolog i specjalista od datowania radiowęglowego na Uniwersytecie Oksfordzkim w Anglii.

„Wszystko, co żyje, korzysta z tego” – powiedział Higham.

Podczas gdy najpowszechniejsza forma węgla ma sześć neutronów, węgiel-14 ma dwa dodatkowe. To sprawia, że ​​izotop jest cięższy i znacznie mniej stabilny niż najpowszechniejsza forma węgla. Tak więc po tysiącach lat węgiel-14 w końcu się rozpada. Jeden z jego neutronów rozpada się na proton i elektron. Kiedy elektron ucieka, proton pozostaje częścią atomu. Przy jednym neutronie mniej i jednym protonie więcej izotop rozpada się na azot.

Kiedy żywe istoty umierają, przestają wchłaniać węgiel-14, rozpoczyna się powolny proces rozpadu radioaktywnego. Naukowcy wiedzą, jak długo trwa rozpad połowy określonej ilości węgla-14 – okres nazywany okresem połowicznego rozpadu. To pozwala im zmierzyć wiek organicznej materii – niezależnie od tego, czy jest to skóra zwierzęca, szkielet, popiół czy słoje drzewa – mierząc stosunek węgla-14 do węgla-12 pozostawionego w nim i porównując tę ​​ilość z z okresem połowicznego rozpadu węglem-14.

Okres połowicznego rozpadu węgla-14 wynosi 5730 lat, co czyni go idealnym dla naukowców, którzy chcą zbadać ostatnie 50 000 lat historii. „To w zasadzie obejmuje naprawdę interesującą część historii ludzkości” – powiedział Higham – „początki rolnictwa, rozwój cywilizacji: wszystko to wydarzyło się w okresie rozpadu radioaktywnego”.

Jednak starsze obiekty straciły ponad 99% węgla-14, zbyt mało aby można go wykryć, powiedział Brendan Culleton, adiunkt w laboratorium radiowęglowym na Pennsylvania State University. W przypadku starszych obiektów naukowcy nie używają węgla-14 jako miary wieku. Zamiast tego często szukają radioaktywnych izotopów innych pierwiastków obecnych w środowisku.

W przypadku najstarszych obiektów na świecie najbardziej użyteczną metodą jest datowanie uranowo – torowo – ołowiowe . „Używamy go do datowania Ziemi” – powiedział Higham. Chociaż datowanie radiowęglowe jest przydatne tylko w przypadku materiałów, które kiedyś żyły, naukowcy mogą wykorzystać datowanie uranowo-torowo-ołowiowe do pomiaru wieku obiektów, takich jak skały. W tej metodzie naukowcy mierzą ilość różnych izotopów promieniotwórczych, z których wszystkie rozpadają się na stabilne formy ołowiu. Te oddzielne łańcuchy rozpadu rozpoczynają się od rozpadu uranu-238, uranu-235 i toru-232.

„Uran i tor są tak dużymi izotopami, że pękają w szwach. Zawsze są niestabilne” – powiedziała Tammy Rittenour, geolog z Utah State University. Każdy z tych „macierzystych izotopów” rozpada się w innej kaskadzie radioizotopów, zanim staną się ołowiem. Każdy z tych izotopów ma inny okres połowicznego rozpadu, od dni do miliardów lat, zgodnie z danymi Agencji Ochrony Środowiska. W datowaniu radiowęglowym naukowcy obliczają stosunki między tymi izotopami, porównując je z ich okresami połowicznego rozpadu. Dzięki tej metodzie naukowcy byli w stanie datować najstarszą odkrytą skałę, kryształ cyrkonu sprzed 4,4 miliarda lat, znaleziony w Australii.

Wreszcie inna metoda datowania mówi naukowcom nie ile lat ma obiekt, ale kiedy był ostatnio wystawiony na działanie ciepła lub światła słonecznego. Ta metoda, zwana datowaniem luminescencyjnym, jest preferowana przez geo-naukowców badających zmiany w krajobrazie na przestrzeni ostatniego miliona lat – mogą ją wykorzystać do odkrycia, kiedy lodowiec uformował się lub cofnął, osadzając skały w dolinie; lub kiedy powódź “zasłoniła” osadem dorzecze, powiedziała Rittenour.

Kiedy minerały w tych skałach i osadach zostaną zakopane, zostaną wystawione na promieniowanie emitowane przez osady wokół nich. To promieniowanie wyrzuca elektrony z ich atomów. Niektóre z elektronów opadają z powrotem do atomów, ale inne utkną w dziurach lub innych defektach w gęstej sieci atomów wokół nich. Potrzeba drugiej ekspozycji na ciepło lub światło słoneczne, aby przywrócić te elektrony do ich pierwotnych pozycji. Dokładnie to robią naukowcy. Wystawiają próbkę na działanie światła, a gdy elektrony opadają z powrotem do atomów, emitują ciepło i światło lub sygnał luminescencyjny.

„Im dłużej ten obiekt jest zakopany, tym większe jest na niego promieniowanie” – powiedziała Rittenour. W istocie, długo zakopane obiekty wystawione na duże promieniowanie będą miały ogromną ilość wybitych elektronów, które razem będą emitować jasne światło, gdy powracają do swoich atomów, powiedziała. Dlatego ilość sygnału luminescencyjnego mówi naukowcom, jak długo obiekt był zakopany.

Datowanie przedmiotów jest ważne nie tylko dla zrozumienia wieku świata i tego, jak żyli starożytni ludzie. Kryminalistycy używają go do rozwiązywania przestępstw, od morderstw po fałszowanie dzieł sztuki. Datowanie radiowęglowe może nam powiedzieć, jak długo wino lub whisky leżakowało, a tym samym, czy zostało sfałszowane, powiedział Higham. „Istnieje wiele różnych zastosowań”.

Źródła: Isobel Whitcomb | livescience.com

Radioactive Decay

Zdjęcia: James L. Amos

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x