26.04.2014 kl ,

Metody datowania próbek promieniotwórczych.

Opracował:

Datowanie izotopowe (radiodatowanie) – metody datowania próbek, oparte na zjawisku rozpadu promieniotwórczego , stosowne głównie w naukach geologicznych i archeologicznych .

Metody oparte są na określeniu proporcji pomiędzy pierwotną zawartością danego izotopu promieniotwórczego a obecną zawartością tego izotopu w próbce. Proporcja ta zależna jest tylko i wyłącznie od czasu rozpadu.
Warunkiem metodologicznym jest utrzymanie układu zamkniętego w czasie trwania rozpadu (z wyjątkiem metody radiowęglowej).
Pierwotną zawartość izotopu oblicza się poprzez zsumowanie produktu jego rozpadu (stałego izotopu radiogenicznego) oraz reszty nierozpadniętego izotopu promieniotwórczego.

Do metod datowania izotopowego zalicza się m.in.:

1. DATOWANIE RADIOWĘGLOWE
   Metoda badania wieku przedmiotów oparta na pomiarze proporcji między izotopem promieniotwórczym węgla ¹⁴C a izotopami trwałymi ¹²C i ¹³C . Metoda dostępna w wielu laboratoriach, również w Polsce, opracowana została przez Willarda Libby’ego i jego współpracowników w 1949. Libby otrzymał za tę pracę Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1960 roku. W górnych warstwach atmosfery pod wpływem neutronów promieniowania kosmicznego cały czas zachodzi proces przemiany ¹⁴N w radioaktywny ¹⁴C w myśl reakcji:

Węgiel ten następnie rozchodzi się równomiernie w atmosferze i pod postacią dwutlenku węgla wchodzi poprzez fotosyntezę do organicznego obiegu węgla w przyrodzie. Tak długo jak organizm żyje, wymienia materię z otoczeniem i proporcje węgla radioaktywnego do stabilnego w materii żywej są podobne jak w atmosferze.

Sytuacja zmienia się jednak, gdy tylko organizm umrze – wymiana przestaje zachodzić, a izotop ¹⁴C z czasem rozpada się według reakcji:

Jego udział spada o połowę co około 5740 lat (jest to tzw. czas albo okres połowicznego rozpadu). Zanik izotopu ¹⁴C w stosunku do jego początkowej ilości przedstawia poniższa tabela.

Spadek ilości izotopu ¹⁴C z czasem

Czas (lata)	Względna ilość izotopu ^14C
0	100,00%
1	99,99%
2	99,98%
5	99,94%
10	99,88%
20	99,76%
50	99,40%
100	98,80%
200	97,61%

Obecny udział izotopu radioaktywnego węgla do całości węgla w atmosferze ziemskiej oraz wodach powierzchniowych jest rzędu jednego atomu radioaktywnego na bilion (10¹²) atomów węgla (stężenie 1 ppt). Wartość ta jest zmienna w czasie, gdyż zależy od stężenia węgla w atmosferze oraz natężenia promieniowania kosmicznego.

By określić kiedy nastąpiło pobranie węgla z atmosfery do fotosyntezy i budowy danego organizmu, należy zmierzyć proporcję izotopu węgla ¹⁴C do całej zawartości węgla w badanych pozostałościach organizmu lub materiałów pochodzących z tego organizmu (np. drewna lub skóry). Następnie trzeba obliczyć, jak dawno temu próbka miała proporcje izotopów równe wówczas proporcji atmosferycznej.

Udział radiowęgla w ogóle węgla występującego w atmosferze można wyrazić wzorem:

Licznik zależy od ilości wytworzonego przez promieniowanie kosmiczne radiowęgla i nie zmienia się znacznie w badanym okresie. Znacznie gorzej jest z mianownikiem – ilość CO₂w atmosferze podlega częstym wahaniom, zwłaszcza w związku z procesami zlodowacenia. Z tego powodu na czysty wynik pomiarów radiowęglowych konieczne jest naniesienie poprawek.

W celu uzyskania większej dokładności datowania radiowęglowego stosuje się inne metody określania wieku materiału i porównuje się wyniki z datowaniem radiowęglowym. W ich wyniku uzyskuje się krzywe kalibracji.
Maksymalny wiek próbek, dla których można stosować metodę datowania radiowęglowego to 58-62 tys. lat. W przypadku próbek starszych zawartość ¹⁴C jest na tyle mała, że jej pomiar obarczony jest dużym błędem.

Dokładność pomiaru spada też dla próbek z okresów nasycenia metody datowania radiowęglowego (ang. radiocarbon plateau), w których stężenie izotopu ¹⁴C w atmosferze ulegało zmianom w tempie podobnym do zaniku ¹⁴C w materiale wyniku rozpadu. W związku z tym zależność pomiędzy latami radiowęglowymi i chronologią bezwzględną (latami) – czyli tzw. krzywa kalibracji – przestaje być liniowa w tych obszarach czasowych i nasyca się (spłaszcza). Efekt taki miał miejsce m.in. 10 000 – 11 000 lat temu, podczas młodszego dryasu.

1. DATOWANIE URANOWO-TOROWE
   Metoda datowania bezwzględnego, opiera się na rozpadzie promieniotwórczym izotopów uranu, optymalna dla przedziału chronologicznego od 500 do 50 000 lat temu.

Metodę tę można stosować w datowaniu:

• skał bogatych w węglan wapnia

• nacieków jaskiniowych i raf koralowych

• zębów

• dzięki nowym technikom badawczym służy do datowania kości kopalnych

• próbuje się także datować nią torf

Rozpad promieniotwórczy polega na rozpadzie dwóch izotopów uranu na pierwiastki pochodne: tor (²³⁰Th) i protaktyn, które w efekcie końcowym rozpadają się w izotopy ołowiu(Pb). W przeciwieństwie do związków uranu, związki toru i protaktynu nie rozpuszczają się w wodzie. Tak więc uran wraz z wodą pobierany jest przez żyjące organizmy, a następnie gromadzi się w skorupkach i rafach koralowych i od tego momentu zaczyna się rozpad promieniotwórczy. Datowanie oblicza się mierząc stosunek ilości toru do uranu. Czas połowicznego rozpadu toru wynosi ok. 75 tys. lat.


3. DATOWANIE POTASOWO-ARGONOWE
Metoda stosowana do datowania skał o wieku setek tysięcy lub milionów lat. Została opracowana w latach pięćdziesiątych XX wieku. Dopuszczalny błąd chronologiczny tej metody wynosi maksymalnie 10%.

Metoda ta jest również stosowana do datowania stanowisk wczesnych hominidów w Afryce, pochodzących sprzed blisko 5 milionów lat. W przypadku skał wulkanicznych można nią datować tylko te, których wiek przekracza 100 000 lat

Datowanie to, podobnie jak metoda radiowęglowa, opiera się na zjawisku rozpadu promieniotwórczego.
W tym wypadku chodzi o bardzo powolny, lecz stały rozpad promieniotwórczego izotopu potasu ⁴⁰K do postaci trwałego gazowego izotopu argonu ⁴⁰Ar w skałach wulkanicznych. Znając szybkość rozpadu ⁴⁰K (jego czas połowicznego zaniku wynosi ok. 1,26 miliarda lat) i zmierzywszy ilość ⁴⁰Ar uwięzionego w 10-gramowej próbce skał, uzyskujemy szacunkową datę ich formowania się.
Rezultaty datowania metodą argonowo-potasową obciążone są błędem szacunkowym (tak samo, jak w przypadku innych metod radiometrycznych). Główne ograniczenie tej techniki polega na tym, że może być użyta jedynie do datowania znalezisk przykrytych przez skałę wulkaniczną, oraz że rzadko za jej pomocą udaje się osiągnąć dokładność wyższą niż ±10%. Niemniej metoda ta stała się kluczowym narzędziem na obszarach, gdzie występuje odpowiedni materiał wulkaniczny.

4. DATOWANIE RUBINOWO-STRONTOWE
Metoda została wprowadzona pod koniec lat 30 dwudziestego wieku i nadaje się do datowania minerałów zawierających rubid.
Datowanie bezwzględne  ze względu na bardzo długi czas rozpadu izotopu rubidu (wynosi on około 48,6 mld lat) W tej metodzie Rb⁸⁷ zamienia się w Sr⁸⁷. Metoda ta jest użyteczna do datowania skał magmowych i osadowych o wieku ponad 100 mln lat.

Wiek próbki można obliczyć na podstawie wzoru:

5. DATOWANIE OŁOWIOWE
Metoda izotopów ołowiu Alfreda O Niera, stosowana do obliczania wieku najstarszych skał w skali miliardów lat. W metodzie tej korzysta się z następującej zależności:

gdzie: indeks P - obecny stosunek izotopów; indeks I - wyjściowy stosunek izotopów; λ235 i λ238 - stałe rozpadu promieniotwórczego izotopów ²³⁵ U i ²³⁸U; t - wiek próbki; 137,88 - obecny stosunek ²³⁸U/²³⁵U.