Radiometrische datering

Van Wikipedia

Radiometrische datering is een techniek om de ouderdom van materialen te bepalen, die gebaseerd is op radioactief verval van natuurlijke isotopen. Er bestaan een groot aantal verschillende methoden, elk gebruik makend van een ander isotopensysteem, en elk verschillend in onzekerheidsmarges, kosten en de tijdsschaal waarop ze toepasbaar zijn.

Inhoud

1 Achterliggende theorie
2 Techniek
3 Gebruik van radiometrische dateringen
- 3.1 Gebruikte methodes
- 3.2 Astrofysische dateringen met verdwenen isotopen
4 Zie ook:
5 Bronnen en referenties

[bewerk] Achterliggende theorie

[bewerk] Isotopen

Zie voor uitgebreidere uitleg ook: isotoop.

Alle materiaal op Aarde bestaat uit verbindingen van chemische elementen. Al deze elementen hebben een eigen atoomnummer, dat het aantal protonen in de atoomkern weergeeft. Omdat een atoomkern ook neutronen bevat komen atomen van hetzelfde element met verschillende aantallen neutronen voor in de natuur. Twee atomen van hetzelfde element met verschillende aantallen neutronen worden verschillende isotopen van dat element genoemd.

[bewerk] Radioactief verval

Zie voor uitgebreidere uitleg ook: radioactief verval.

Verschillende isotopen van een element hebben een verschillende massa en stabiliteit. Sommige isotopen zijn instabiel en lopen de kans op een willekeurig moment uit elkaar te vallen door radioactief verval. Radioactief verval betekent meestal het afstoten van alfadeeltjes (twee protonen en twee neutronen samen) en betadeeltjes.

Hoewel het moment in de tijd dat een bepaalde atoomkern vervalt volkomen willekeurig is, bestaan materialen uit enorme aantallen atomen. Van de radioactieve atomen in het materiaal zal altijd een bepaald percentage van deze atomen over een bepaalde hoeveelheid tijd vervallen, afhankelijk hoe stabiel de atomen zijn. Deze mate van stabiliteit wordt beschreven door de halfwaardetijd, de tijd die moet verlopen voordat de helft van alle instabiele atomen vervallen is. Voor alle isotopen is deze waarde een natuurkundige constante.

De meeste radioactieve isotopen vervallen in een aantal stappen (een vervalreeks) naar een stabiel element, dat de dochter of het dochterelement wordt genoemd. De isotoop zelf wordt de moeder genoemd. De halfwaardetijd die gegeven wordt is meestal de halfwaardetijd van alle stappen samen die nodig zijn om van moeder naar dochter te komen. Om geschikt te zijn voor ouderdomsbepalingen moet een isotoop een halfwaardetijd van een paar duizend tot een aantal miljard jaar hebben.

[bewerk] Isotopen zijn een nauwkeurige klok

In de meeste gevallen is de halfwaardetijd alleen afhankelijk van de eigenschappen van de betreffende atomen, hij wordt niet beïnvloed door temperatuur, druk, chemische omgeving, magnetische of elektrische velden, of andere externe factoren. Bovendien wordt aangenomen dat de halfwaardetijden door de tijd heen gelijk blijven. Alleen radioactieve straling zou de halfwaardetijd kunnen beïnvloeden, maar als die plaats vindt laat hij bewijs achter. Daarom is de verhouding tussen moeder- en dochterelement te zien als een nauwkeurige klok, die de tijd aangeeft die verlopen is vanaf het moment dat het moederelement in het materiaal gebracht werd tot heden.

[bewerk] Aanwezigheid van isotopen in materialen

De processen waarmee materialen vormen zijn vaak selectief voor welke elementen/isotopen er in het materiaal terecht komen. In het ideale geval zal het materiaal tijdens vorming alleen het moederelement opnemen en het dochterelement uitsluiten. Als het materiaal dan onderzocht wordt, zal aanwezige stof van het dochterelement alleen door radioactief verval van de moeder zijn ontstaan, dus nadat het materiaal gevormd is.

Als een materiaal dat het dochterelement uitsluit verhit raakt, zullen dochter-atomen die in de loop der tijd ontstaan zijn door diffusie uit het materiaal verdwijnen, waarbij de klok "gereset" wordt naar "nul". De temperatuur waarbij dit gebeurt wordt de blokkeringstemperatuur genoemd en verschilt per materiaal.

[bewerk] De ouderdomsvergelijking

Als een radioactief moederelement vervalt naar een stabiele dochter, is de ouderdomsvergelijking die radioactief verval en geologische tijd met elkaar verbindt:

$t = \frac{1}{\lambda} {\times} {\ln \left(1+\frac{D}{P}\right)}$

met

$t =$ ouderdom van het materiaal;

$D =$ concentratie van de dochterisotoop;

$P =$ concentratie van de moederisotoop;

$λ =$ de vervalconstante voor de moederisotoop;

en $ln =$ staat voor het natuurlijke logaritme

De vervalconstante λ is het deel van de atomen van het moederelement die vervallen per eenheid tijd, en is omgekeerd evenredig met de halfwaardetijd:

${\lambda} = \frac{\ln (2)}{t_{1/2}}$

waarbij

$t 1 / 2 =$ de halfwaardetijd van het moederelement.

[bewerk] Techniek

[bewerk] Voorwaarden voor goede radiometrische datering

Het te onderzoeken materiaal sluit niet altijd het dochterelement uit, soms kunnen zowel moeder als dochter tijdens de vorming van een materiaal worden opgenomen. In zulke gevallen moet een aanname worden gedaan voor de verhouding van moeder en dochter tijdens de vorming.

De dochter is bij voorkeur geen gas, dat makkelijk uit het materiaal zou kunnen lekken, en moet zelf stabiel genoeg zijn zodat het in behoorlijke concentraties gemeten kan worden.

Bovendien moeten zowel moeder als dochter niet stoffen vormen die gemakkelijk chemische reacties aangaan, of stoffen die in teveel andere vervalreacties geproduceerd worden of vervallen.

Tenslotte moeten de technieken die gebruikt worden bij het isoleren en analyseren van de concentraties betrouwbaar en duidelijk zijn.

Bij datering door middel van een isochron, de simpelste vorm van radiometrische datering, is het niet nodig te weten wat de verhouding tussen moeder- en dochterelement was tijdens de vorming van het materiaal.

[bewerk] Massaspectrometers

Radiometrische datering kan worden toegepast op minder dan een miljardste deel van een gram materiaal door een massaspectrometer te gebruiken. Dit apparaat werd in de jaren 40 uitgevonden en wordt sinds de jaren 50 voor radiometrische dateringen gebruikt. In de massaspectrometer wordt door verhitting een straal geïoniseerde atomen uit het sample getrokken, die met door magnetisch veld gesplitst wordt op massa en lading van de ionen. De ionen worden gemeten door sensoren die Faraday cups worden genoemd. Als ze inslaan in de cups wordt een zwakke elektrische stroom waargenomen waaruit vervolgens de hoeveelheden en concentraties van verschillende elementen/isotopen bepaald kunnen worden.

[bewerk] Onzekerheden

Hoewel radiometrische datering in principe nauwkeurig kan zijn, is de nauwkeurigheid afhankelijk van de gebruikte techniek en methode. Onzekerheden kunnen bijvoorbeeld zijn:

de concentraties van moeder en dochter tijdens de vorming van het materiaal
de hoeveelheid van moeder en dochter die sinds de vorming "ontsnapt" of juist toegevoegd is aan het materiaal
in een massaspectrometer kunnen metingen verstoord worden door aanwezigheid van andere isotopen met hetzelfde massagetal als moeder en dochter. In dat geval moeten correcties worden uitgevoerd voor deze even zware isotopen.
massaspectrometers kunnen bovendien bloot staan aan veel neveneffecten. De kwaliteit van het vacuum binnen in de spectrometer is het belangrijkst. Als er geen goed vacuum in het apparaat is kunnen geïoniseerde atomen worden onderschept door gasmoleculen in plaats van gemeten te worden. De resolutie van de receptor is ook een factor, maar op moderne apparaten is de kwaliteit hiervan toegenomen.

De nauwkeurigheid kan omhoog gebracht worden door in hetzelfde materiaal op verschillende plekken te meten. Als aangenomen wordt dat het materiaal op alle plekken dezelfde ouderdom heeft zouden deze metingen een isochron moeten vormen. Als twee isotopensystemen aanwezig zijn kunnen de resultaten van de metingen met elkaar vergeleken worden.

De nauwkeurigheid hangt ook af van de halfwaardetijd van het moederelement. ¹⁴C heeft bijvoorbeeld een halfwaardetijd van minder dan 6000 jaar. Als een organisme 60 000 jaar dood is is zo weinig ¹⁴C over dat het onmogelijk is geworden met de koolstofmethode een precieze ouderdom te meten. Er moet dan een ander isotopensysteem gebruikt worden. Daar staat tegenover dat het koolstofsysteem zo'n sterk verval laat zien dat relatief jonge overblijfselen (jonger dan 10 000 jaar) tot op een paar jaar nauwkeurig kunnen worden gedateerd.

[bewerk] Gebruik van radiometrische dateringen

[bewerk] Gebruikte methodes

Eén van de oudste en betrouwbaarste methode is uranium-looddatering. Deze dateringsmethode wordt veel toegepast op het mineraal zirkoon, dat lood uitsluit maar juist veel uranium bevat. Metingen via deze methode kunnen tegenwoordig een onzekerheid hebben van 2 miljoen jaar bij materialen van meer dan 3 miljard jaar, en de methode wordt veel gebruikt in de geologie. Omdat ²³⁵U naar ²⁰⁷Pb vervalt en tegelijkertijd ²³⁸U naar ²⁰⁶Pb heeft de uranium-lood methode als voordeel dat in feite elke meting twee systemen meet, waardoor een dubbele controle plaatsvindt.

Kalium-argondatering maakt gebruik van het verval van ⁴⁰K naar ⁴⁰Ar. ⁴⁰K heeft een hoge halfwaardetijd, en komt veel voor in mica's, veldspaten en hornblende, maar heeft als nadeel dat de blokkeringstemperaturen erg laag zijn.

Rubidium-strontiumdatering maakt gebruik van ⁸⁷Rb verval naar ⁸⁷Sr, wat een zeer hoge halfwaardetijd heeft. Blokkeringstemperaturen zijn hoog bij dit systeem, maar door de hoge halfwaardetijd is de onnauwkeurigheid van metingen hoog.

Koolstofdatering maakt gebruik van het verval van ¹⁴C, dat een relatief zeer korte halfwaardetijd heeft. Daarom is het een bekende methode voor ouderdomsbepalingen in de archeologie.

Een andere methode met een relatief korte halfwaardetijd is uranium-thoriumdatering, waarbij gebruikgemaakt wordt van verval van ²³⁸U naar ²³⁰Th, en verval van ²³⁵U naar ²³¹Pa.

Andere radiometrische dateringsmethoden zijn:

samarium-neodymium
lutetium-hafnium
argon-argon
helium
uranium-uranium
lood-lood
rhenium-osmium
jodium-xenon
lanthanum-barium

Het gebruikte isotopensysteem hangt af van de ouderdom van het onderzochte materiaal. Koolstof datering wordt meestal gebruikt voor ouderdommen tot een paar duizend jaar. Voor de datering van de oudste gesteenten (rond de 4 miljard jaar) wordt de uranium-lood methode op zirkonen toegepast.

Door kernproeven in de jaren 1952-1958 kwamen grote hoeveelheden ³⁶Cl vrij in de atmosfeer. Omdat ³⁶Cl een erg korte residentietijd in de atmosfeer heeft wordt de concentratie ³⁶Cl wel gebruikt om te onderzoeken hoe lang grondwater ondergronds gestroomd heeft. Dit is per definitie geen radiometrische datering.

[bewerk] Astrofysische dateringen met verdwenen isotopen

Toen het heelal nog jong was waren er veel meer relatief kortlevende radioactieve isotopen zoals ²⁶Al, ⁶⁰Fe, ⁵³Mn, en ¹²⁹I aanwezig in de Zonnenevel. Deze nu uitgestorven isotopen waren waarschijnlijk geproduceerd in supernovae. Hun vervalmateriaal kan tegenwoordig nog wel gemeten worden in meteorieten. Door dit soort metingen wordt onderzoek gedaan naar de volgorde van gebeurtenissen tijdens de vorming van het Zonnestelsel.

[bewerk] Zie ook:

[bewerk] Bronnen en referenties

Bronnen en referenties:

W.M. White, 2001: Geochemistry, hoofdstuk 8: Radiogenic Isotope Geochemistry online handboek

Categorieën: Radiometrische datering | Geologie