View
149
Download
2
Category
Preview:
Citation preview
Stan Olimpia Maria
Master GPM, anul I
1
Noţiuni generale: radioactivitatea şi
datarea radiometrică
Numeroasele metode de datare radiometrică utilizate în prezent (pe bază de
radiocarbon, potasiu-argon, seriile uraniului, termoluminiscenţă, izotopii cesiului şi
plumbului etc.) se bazează pe procesul de radioactivitate/dezintegrare radioactivă,
explicat pe scurt prin instabilitatea anumitor elemente chimice din natură (izotopii
radioactivi), care suferă transformări (emisii de particule şi radiaţie), spontane sau mai
lente, pentru a obţine structuri atomice mai stabile (izotopi stabili). Acest proces se
desfăşoară în strânsă legătură cu timpul, care determină durata de înjumătăţire a
radionuclizilor, constantă ce depinde în întregime de proprietăţile nucleului unui
anumit element chimic şi care nu este afectată (în general) de factori externi precum
temperatură, presiune, mediu chimic, prezenţa unui câmp magnetic sau electric.
În consecinţă, în orice matrice ce conţine radionuclizi (organică sau
anorganică), proporţia dintre nuclizii originari şi produşii lor de dezintegrare se
schimbă într-un mod predictibil de-a lungul unei anumite perioade de timp. Această
predictibilitate permite ca aceşti relativ numeroşi nuclizi înrudiţi să fie folosiţi ca un
ceas care măsoară timpul scurs de la încorporarea nuclizilor originari într-o matrice şi
până în prezent (la momentul efectuării analizelor de laborator).
Potasiul (K) - este elementul chimic din seria metalelor alcaline cu numărul
atomic 19 şi masa atomică de 39, 0983 (Grupa IA, Perioada 4).
A fost izolat pentru prima oară din
potasă (carbonatul de potasiu, obţinut
din cenuşa de plante), are culoare alb-
argintie, este maleabil şi ductil şi se
oxidează uşor în aer. Reacţionează
violent cu apa, generând suficientă
căldură pentru a aprinde hidrogenul
gazos eliberat şi poate reacţiona şi cu
gheaţa, pâna la temperatura de -100°C.
Fig. 1: Perle de potasiu sub parafină
2
În natură este întâlnit numai sub formă de sare ionică, este prezent în
concentraţie semnificativă, în stare dizolvată, în apa de mare şi de asemenea este
întâlnit, sub forma diverşilor compuşi, ca şi constituent al unor minerale. Ionul de
potasiu, prezent în ţesuturile vegetale şi animale, este un oligoelement indispensabil în
metabolismul celulelor vii. Potasiul are un procentaj de 1,5% din greutatea scoarţei
terestre şi este al şaptelea element ca răspândire pe planetă. Are 24 de izotopi
cunoscuți, dintre care trei sunt întâlniți în natură în următoarele proporții: 39K (93,3%) 40K (0,0117%) şi 41K (6,7%). Izotopul 40K se dezintegrează în izotopul stabil 40Ar
(11,2% din dezintegrări) prin captură electronică sau emisie de pozitroni, sau se
descompune în 40Ca (88,8% din dezintegrări) prin dezintegrare beta-; 40K are un timp
de înjumătățire de 1.250×109 ani.
Argonul (Ar) - este cel mai des întâlnit gaz nobil de pe Pământ (deşi este mai
comun decât dioxidul de carbon, reprezintă doar 0,93% din atmosfera terestră).
Aproape în întregime acest argon este reprezentat de radioizotopul 40Ar rezultat din
dezintegrarea izotopului 40K prin captură de electroni sau emisie de pozitroni.
Argonul are numărul atomic 18 şi masa atomică de 39, 948 (Grupa VIIIA,
Perioada 3), iar numele său provine din grecescul αργον care înseamnă „cel
leneş”/”cel inactiv”, cu referire la faptul că elementul nu produce aproape nici o
reacţie chimică (datorită structurii complete de octet de pe ultimul strat electronic care
îl face stabil şi rezistent la interacţiunea cu celelalte elemente chimice). Argonul este
incolor, inodor şi nontoxic ca solid, lichid sau gaz; este inert în majoritatea condiţiilor
de mediu şi nu formează compuşi stabili la temperatură obişnuită.
Principalii izotopi ai argonului sunt 40Ar (99,6%), 36Ar (0,34 %) și 38Ar (0,06%), dintre care cel mai
comun în Univers este 36Ar produs
în supernove prin nucleosinteză (şi
vântul solar conţine 36Ar în
proporţie de 84,6%), şi cel mai
comun pe Terra este 40Ar (format
din dezintegrarea lui 40K din roci).
Fig.2: În câmp electric Ar emană o lumină violet
3
Metodele de datare 40K/40Ar şi 40Ar/39Ar
Dezintegrarea izotopului 40K în 40Ar activează o metodă folosită în datarea
rocilor - Metoda convențională de datare prin potasiu si argon, care este utilizată în
cronologia geologică şi arheologică şi care se bazează pe măsurarea izotopilor de 40Ar acumulaţi şi a celor de 40K rămaşi într-o rocă vulcanică, de la recristalizarea
magmei şi până în momentul realizării analizei, dat fiind faptul că perioada de
înjumătăţire a izotopului de potasiu este de aproximativ 1,25 miliarde de ani.
Rocile de origine vulcanică conţin în mod natural destul de mult potasiu (din
care o mică dar constantă parte este radioactivă şi se descompune lent într-o formă
stabilă de gaz nobil, argonul ), dar din cauza temperaturilor foarte mari la care ajung
la suprafaţă nu pot reţine şi argonul (care se dispersează şi apoi se evaporă din magma
topită). De aceea acest element găsit în rocile magmatice nu poate proveni decât din
dezintegrarea radioizotopului potasiului, începând să se acumuleze abia după
recristalizarea magmei.
În laborator, concentraţia de 40Ar dintr-o probă de rocă poate fi determinată
prin încălzirea acesteia până la punctul de topire, eliberându-se astfel gazul nobil care
este apoi măsurat cu ajutorul unui spectrometru de masă. O a doua probă (din aceeaşi
rocă) este folosită pentru a determina concentraţia de 40K rămasă, utilizând un
spectrofotometru de absorbţie atomică sau un fotometru de emisie atomică în flacără
sau plasmă. Raportul dintre 40K şi radionuclidul 40Ar ne oferă apoi indicaţii asupra
timpului care s-a scurs de la producerea evenimentului vulcanic, timp care poate fi
aflat din următoarea ecuaţie:
, unde
t este timpul care s-a scurs;
t1/2 este durata de înjumătăţire a 40K;
Kf este cantitatea de 40K rămasă în probă;
Arf este cantitatea de 40Ar găsită în probă, iar factorul de scalare 0.109 este
introdus pentru a corecta cantitatea de 40K care s-a dezintegrat în 40Ca şi care
nu a fost măsurată.
4
Suma dintre cantitatea de 40K măsurat şi cea scalată 40Ar ne oferă totalul de 40K care a fost prezent la începutul perioadei de timp măsurate.
Mineralele sunt datate deci prin măsurarea concentrației de potasiu și de argon
radiogenic acumulat, cele mai potrivite pentru datare fiind cele care includ biotitul,
muscovitul, hornblenda plutonică/metamorfică de grad înalt și feldsparul vulcanic.
Mostre întregi de roci din curgerile vulcanice și intruziuni pot fi de asemenea datate
dacă sunt nealterate şi, mai mult decât atât, pot fi datate cu ajutorul metodei
stratigrafice şi eventualele fosile care se găsesc într-un strat de sedimente situat
deasupra sau dedesubtul unui strat vulcanic. De exemplu, la începutul anilor 1960,
metoda de datare K-Ar a fost principala tehnică folosită în paleoantropologie care a
dezvăluit vechimea foarte mare a rămăşiţelor primilor hominizi (aprox. 1,9 milioane
de ani) din Estul Africii (Cheile Olduvai).
Datorită perioadei de înjumătăţire foarte îndelungate a 40K (1250 mil. ani), este
posibilă datarea unora dintre cele mai „bătrâne” roci de pe Pământ, însă pentru
Cuaternar (început acum aprox. 2,6 mil. ani) datarea 40K/40Ar se poate aplica doar în
cazul rocilor vulcanice mai vechi de circa 100.000 de ani, din cauza lipsei de precizie
pentru perioade mai recente de atât (erori de până la ±100%!). O variantă a metodei,
dezvoltată în anii ’60-’70, implică măsurarea raportului dintre doi izotopi ai
argonului, 40Ar şi 39Ar, cel de-al doilea fiind obţinut în laborator prin iradierea probei
cu neutroni.
Această metodă, numită Datare Argon-Argon, are o importanţă foarte mare
datorită nivelului înalt de precizie analitică pentru perioade mai recente, chiar de la
10.000 de ani î.e.n. şi mai târziu. În cazul acestei metode, analizele se fac pe o singură
probă de rocă: concentraţia de 40Ar se măsoară direct prin tehnica ilustrată mai sus în
datarea 40K/40Ar, însă concentraţia de 40K este dedusă indirect cu ajutorul proporţiei
cunoscute dintre izotopii de potasiu şi cei de argon. Mostre din rocă sunt plasate într-
un reactor nuclear şi sunt iradiate, ceea ce duce la transformarea unei părţi din izotopii
stabili de 39K într-o altă formă de argon, 39Ar. Întrucât cantitatea de 39Ar este
proporţională cu cea a izotopului stabil 39K şi aceasta este, la rândul său, proporţională
cu cea a izotopului 40K, se poate afla cantitatea acestuia din urmă cu ajutorul
raportului 40K/39K ( 0.0117% / 93.2581% ).
5
În cele din urmă, este însă extrem de important ca următoarele ipoteze
asumate să fie adevărate pentru ca datele obţinute prin cele două metode de datare
înrudite să fie acceptate ca fiind reale:
Nuclidul-părinte, 40K, are o rată de dezintegrare care este independentă de
starea lui fizică şi nu este afectată de diferenţele de presiune sau temperatură;
această ipoteză este esenţială pentru toate metodele de datare bazate pe
dezintegrarea radioactivă;
Raportul 40K/39K în natură este mereu constant, astfel că rareori 40K este
măsurat direct, ci se consideră că el reprezintă 0,0117% din cantitatea totală de
potasiu de pe Terra;
Argonul radiogenic măsurat într-o probă a fost produs in situ prin
dezintegrarea potasiului în intervalul de timp de când roca s-a cristalizat sau
recristalizat; abaterile de la această ipoteză sunt însă des întâlnite, ca de
exemplu: roci bazaltice care nu au eliberat în totalitate 40Ar preexistent topirii
sau contaminarea fizică a magmei prin incluziunea de material xenolitic mai
vechi;
Atenţia deosebită pentru evitarea contaminării probelor prin absorbţie de 40Ar
nonradiogenic din atmosferă; ecuaţia de mai sus poate fi corectată prin
scăderea din valoarea de 40Ar măsurată, a cantităţii de argon prezente în aer
(presupune măsurarea în prealabil a 36Ar), ştiind că 40Ar este de 295,5 ori mai
abundent decât 36Ar;
Proba trebuie să fi rămas într-un sistem închis de la evenimentul vulcanic, deci
nu trebuie să fi existat pierderi sau creşteri de 40K sau 40Ar-în afară de cel
provenit din dezintegrarea radioactivă; aceasta este o ipoteză uneori combătută
în cazul zonelor cu o istorie geologică complexă.
6
Aplicaţii ale metodei de datare 40K/40Ar
În primul rând, am amintit şi mai devreme faptul că, datorită perioadei de
înjumătăţire foarte îndelungate, aceasta tehnică este recomandabil a fi aplicabilă doar
pentru datarea rocilor şi mineralelor mai vechi de 100,000 de ani. Pentru perioade mai
apropiate de noi, este foarte probabil că nu s-a acumulat suficient Argon 40 care să
poată fi măsurat cu acurateţe.
Din a doua jumătate a sec. XX şi până în prezent, principalele contribuţii ale
ambelor metode de datare înrudite, Potasiu-Argon şi Argon-Argon, au fost în: datarea
materialelor vulcanice asociate cu rămăşiţele hominide timpurii (în special din
Africa); dezvoltarea cronologiilor perioadelor glaciare, prin datarea de tephras
intercalate cu depozite glaciale (precum cele din Yukon şi Patagonia); datarea
evenimentelor vulcanice, precum super-erupţia vulcanului Toba din Sumatra acum
aprox. 74.000 de ani; furnizarea unei cronologii pentru paleomagnetismul terestru etc.
Cheile Olduvai (Tanzania), sit arheologic cunoscut şi sub numele de
„Leagănul omenirii”, este o râpă abruptă din Valea Marelui Rift care se întinde de-a
lungul Africii de Est. Acesta este însă unul dintre cele mai importante situri
preistorice din lume, având o contribuţie esenţială la înţelegerea evoluţiei speciei
umane, contribuţie care nu ar fi fost posibilă fără ajutorul venit din partea ştiinţei.
Fig.3: Cheile Olduvai, Tanzania (Wikipedia)
Pe baza datărilor realizate pe fosilele descoperite aici de-a lungul timpului, s-a putut
stabili faptul că situl a fost ocupat, rând pe rând, de mai multe specii de hominizi:
homo habilis acum 1,9 mil. de ani; paranthropus boisei acum 1,8 mil. de ani; homo
erectus acum 1,2 mil. de ani şi chiar homo sapiens acum 17,000 de ani.
7
Metoda de datare Potasiu-Argon s-a dovedit indispensabilă şi pe alte situri
africane cu o istorie de vulcanism precum Hadar (Etiopia), unde a fost descoperite în
1974 rămăşiţele celebrei Lucy, un specimen fosilizat de australopithecus afarensis în
vârstă de 3 mil. de ani.
O contribuţie foarte importantă şi relativ recentă a metodei de datare are
legătură cu răspândirea speciilor hominide din Africa pe restul continentelor.
Descoperirile de fosile umane din Republica Georgia şi din insula Java şi datarea lor a
deplasat înapoi în timp cu o jumătate de milion de ani momentul răspândirii
oamenilor în afara Africii. Siturile datate, combinate cu dovezi din China şi Valea
Iordanului (Fig. 4), sugerează faptul că homo ergaster/ habilis a migrat din Africa
spre nord şi spre est acum 1, 5 milioane de ani, migraţie ce a precedat probabil chiar
cu 1 milion de ani răspândirea hominizilor în Europa.
Fig.4: Georgia, Java şi alte câteva puncte-cheie pentru răspândirea hominizilor în Eurasia
(după Walker, 2005)
8
Fig.5: Tabel cu cele mai importante metode de datare bazate pe dezintegrarea radioactivă şi raza lor
de acţiune (după Artioli, 2010).
9
Anexă: Noţiuni de bază despre radioactivitate şi radiaţii
De la descoperirea radioactivităţii în anul 1896 de către H. Becquerel (studiind
sărurile de uraniu), şi până în prezent, au fost descoperiţi peste 1200 de radionuclizi.
Radioactivitatea se defineşte ca fiind proprietatea nucleelor (unor nuclizi) de a emite
spontan particule α, β± sau de a suferi o captură electronică sau dezintegrare γ.
Radiaţiile radioactive nu sunt omogene, astfel că dacă radiaţiile emise de o sursă
radioactivă sunt trecute printr-un câmp magnetic, ele sunt deviate diferit.
Substanţele radioactive emană trei tipuri de radiaţii: α, β şi γ . Radiaţiile α sunt
deviate în câmp electric şi magnetic într-o mai mică măsură faţă de radiaţiile β.
Radiaţiile γ nu sunt deviate în câmp electric sau magnetic, ceea ce dovedeşte că nu au
sarcini electrice.
Radiaţiile α sunt nuclee de heliu încărcate pozitiv, deplasându-se cu viteze
foarte mari, care străbat pereţii subţiri ai unui vas metalic, acumulându-se în acesta
sub formă de heliu:
Aceste radiaţii sunt emise de nuclee, cu viteze de 1,4 – 2,0⋅10 la 7 m/s şi au energii
cuprinse între 2 şi 9 MeV. Din punct de vedere spectral, radiaţiile α sunt
monoenergetice.
Radiaţiile β sunt formate din electroni care se deplasează cu viteze foarte mari
(de 20 de ori mai mari decât viteza radiaţiilor α şi până la 99% din viteza luminii). De
aceea, radiaţiile β au putere de pătrundere mai mare decât radiaţiile α. Există două
tipuri de radiaţii β, radiaţiile β- şi radiaţiile β+. Radiaţiile β- sunt constituite din
fluxuri de electroni, în timp ce radiaţiile β+ sunt formate din pozitroni. Aceste
particule sunt emise de atomi cu viteze variabile ce ating maximum 108 m/s.
Spre deosebire de radiaţiile α, ambele tipuri de radiaţii β prezintă un spectru
energetic continuu, cu o distribuţie de tip Poisson, limita superioară fiind o
caracteristică a radionuclidului, iar energia medie fiind de aproximativ 1/3 din
valoarea energiei maxime. Radiaţiile β au energii cuprinse între 0,016 si 16 MeV.
10
Radiaţiile γ sunt radiaţii de natura electromagnetică şi rezultă la trecerea unui
nucleu atomic dintr-o stare excitată într-o stare energetic mai stabilă, cu o viteză egală
cu viteza luminii, caracterizate prin lungimi de undă foarte scurte, cuprinse între
0,0018 şi 6,35⋅10 la -10 m şi au o putere de pătrundere foarte mare. Emisia de radiaţii
γ este asociată, în marea majoritate a cazurilor, unor emisii de radiaţii α sau β.
În sfera radiaţiilor nucleare mai sunt cuprinse şi radiaţii electromagnetice (X,
radiaţii de frânare Bremsstrablung), radiaţii corpusculare (fascicule de particule
elementare: e- , e+, p+, n; fascicule formate din nuclee atomice: 2H+, 3H+, 4He2+;
fascicule de atomi ionizaţi: He+, Li+, Na+, etc.).
Procesele de capturã electronicã constau în absorbţia unui electron din
straturile interioare (K) în nucleele ce conţin excedent de protoni şi transformarea
acestora în neutroni, cu emisia unui neutrino:
In cazul conversiei interne, un nucleu aflat în stare excitată poate elimina excesul
energetic prin transferul unui electron de pe straturile interioare, acesta fiind expulzat
din atom. Electronii rezultaţi sunt monoenergetici, posedand diferenţa dintre energia
tranziţiei de dezexcitare nucleară şi energia de legătură.
Exemple de radioizotopi:
11
Bibliografie
http://en.wikipedia.org/wiki/K%E2%80%93Ar_dating ;
http://en.wikipedia.org/wiki/Potassium ;
http://en.wikipedia.org/wiki/Argon ;
„Quaternary Dating Methods”, Mike Walker (Department of
Archaeology and Anthropology, University of Wales, Lampeter, UK), 2005;
„Scientific Methods and Cultural Heritage. An introduction to the
application of materials science to archaeometry and conservation science”,
Gilberto Artioli (Università degli Studi di Padova), 2010;
„K/Ar and 40K/39K methodology”,
New Mexico Geochronology Research Laboratory,
http://www.ees.nmt.edu/outside/Geol/labs/Argon_Lab/Methods/Methods.html;
Chimie Generala, C. D. Neniţescu, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti.
12
Recommended