Datowanie izotopowe

Datowanie izotopowe (radiodatowanie) – metody datowania próbek, oparte na zjawisku niezależności od warunków fizycznych szybkości przebiegu rozpadu promieniotwórczego, stosowane głównie w naukach geologicznych i archeologicznych^[1].

Historia

W 1902 roku Ernest Rutherford i Frederick Soddy publikują wyniki eksperymentów z substancjami radioaktywnymi, wśród ich obserwacji znalazło się stwierdzenie, że niestabilne atomy (nie wiedziano wówczas, że atom ma jądro) przekształcają się w inne pierwiastki, a liczba rozpadów jest proporcjonalna do liczby atomów. W 1905 roku Rutherford zasugerował, że na podstawie ilości pierwiastka powstającego w wyniku rozpadu można określić wiek Ziemi^[2].

Koncepcję Rutherforda rozwijał Bertram Boltwood, który w 1907 r. opublikował wyniki datowania skał na podstawie zawartości w nich uranu, toru oraz ołowiu jako produktu rozpadu. Stwierdził on, że badane skały mają wiek w zakresie od 400 milionów do 2,2 miliarda lat^[3].

Początkowo czas określano na podstawie analiz chemicznych, które nie są różnicują izotopów pierwiastków. Rozwój wiedzy o budowie atomów, poznanie izotopów i rozwój metod badawczych, szczególnie spektrometrii mas, spowodował, że od około 1950 roku możliwe jest już precyzyjne datowanie z użyciem technik jądrowych^[4].

Technika datowania pozostałości organizmów zwana datowaniem radiowęglowym została opracowana w 1949 r. przez Willarda Libby’ego i współpracowników, za co otrzymał w 1960 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii^[5].

Podstawy teoretyczne

Podstawą datowania radioizotopowego jest przemiana izotopów promieniotwórczych niezależnie od otoczenia zgodnie z prawem rozpadu naturalnego. Dla przypadku, gdy izotop rozpada się tylko w jeden sposób, tworząc trwały izotop^[6], ilość rozpadającego się izotopu określa wzór:

${\displaystyle N(t)=N_{o}e^{-\lambda t}.}$

Jeżeli powstający izotop nie rozpada się, to przybywa go tyle, ile ubywa izotopu promieniotwórczego:

${\displaystyle D(t)=N_{o}-N(t)=N(t)(e^{\lambda t}-1).}$

Wiek określa się poprzez określenie stosunku ilości izotopu rozpadającego się do ilości izotopu powstającego:

${\displaystyle {\frac {D(t)}{N(t)}}=e^{\lambda t}-1.}$

Stąd czas, od kiedy w próbce zaczął gromadzić się izotop potomny, określa wzór:

${\displaystyle t={\frac {1}{\lambda }}\ln \left({\frac {D}{N}}+1\right).}$

Między czasem połowicznego rozpadu a stałą rozpadu zachodzi związek:

${\displaystyle T_{\frac {1}{2}}={\frac {\ln 2}{\lambda }}\approx {\frac {0{,}693}{\lambda }}.}$

By datowanie metodą izotopową było możliwe, musi zostać spełnionych kilka warunków:

• układ jest zamknięty od momentu, dla którego określany jest czas; do układu nie powinien dopływać ani odpływać izotop radioaktywny i produkty jego rozpadu,
• istnieje zjawisko, które usuwa izotop potomny z układu,
• w badanych próbkach występuje izotop radioaktywny,
• czas połowicznego zaniku tego izotopu jest porównywalny lub większy z określanym czasem,
• minimalny możliwy do określenia czas wynika z możliwości określenia najmniejszych ilości izotopu potomnego.

Opis

Metody stosowane są do datowania wydarzeń (krzepnięcie, osadzenie, wbudowanie w organizm), po których następuje uwięzienie w materiale rozpadającego się izotopu oraz produktów rozpadu promieniotwórczego, a uwolnienie ich przed danym wydarzeniem. Czas od wystąpienia wydarzenia określa się na podstawie proporcji pomiędzy zawartością określonego izotopu i produktów jego rozpadu. Jeżeli nie następuje ucieczka bądź napływ analizowanych izotopów do badanego materiału w badanym czasie, to proporcja ilości izotopów zależna jest wyłącznie od czasu, w którym następowało gromadzenie się produktów rozpadu.

Do metod datowania izotopowego zalicza się m.in.:

• datowanie radiowęglowe,
• datowanie uranowo-torowe (uran-234 i tor-230)
• datowanie uranowo-ołowiowe(inne języki) (uran-238 i ołów-206 oraz uran-235 i ołów-207)
• datowanie potasowo-argonowe (potas-40 i argon-40)^[5]
• datowanie argonowe (argon-39 i argon-40)^[7]
• datowanie rubidowo-strontowe (rubid-87 i stront-87)^[5]
• datowanie renowo-osmowe(inne języki) (ren-187 i osm-187)^[5]
• datowanie hafnowo-wolframowe(inne języki) (hafn-182 i wolfram-182)^[8]

Przypisy

1. Datowanie izotopowe, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2021-07-30].
2. Radiometric dating finds Earth is 2.2 billion years old 1907. [dostęp 2019-10-21].
3. Boltwood, Bertram. The Ultimate Disintegration Products of the Radio-active Elements. Part II. The disintegration products of uranium. „American Journal of Science”. 23, s. 77–88, 1907. DOI: 10.2475/ajs.s4-23.134.78. (ang.).
4. Radiometric time scale. [dostęp 2019-10-24].
5. Ryszard Szepke: 1000 słów o atomie i technice jądrowej. Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, 1982. ISBN 83-11-06723-6. Brak numerów stron w książce
6. Isotope Geochemistry. [dostęp 2019-10-24].
7. Ashmore i Sharer 2008 ↓, s. 191 i 284.
8. Der-ChuenD.Ch. Lee Der-ChuenD.Ch., Alex N.A.N. Halliday Alex N.A.N., Hafnium–tungsten chronometry and the timing of terrestrial core formation, „Nature”, 378 (6559), 1995, s. 771–774, DOI: 10.1038/378771a0 [dostęp 2024-04-11] (ang.).

Bibliografia

• Polański A. Izotopy w geologii. Wydawnictwa Geologiczne. Warszawa, 1979. ISBN 83-220-0024-3.
• WendyW. Ashmore WendyW., Robert J.R.J. Sharer Robert J.R.J., Odkrywanie przeszłości: wprowadzenie do archeologii, Kraków: Wydawnictwo Avalon T. Janowski, 2008, ISBN 978-83-60448-60-1.

Kontrola autorytatywna (metoda badawcza):

• LCCN: sh85110596
• GND: 4277253-9
• J9U: 987007558363305171

Encyklopedie internetowe:

• PWN: 3890798
• Britannica: science/radiometric-dating, science/radiometric-analysis
• SNL: radiometrisk_datering