5. DATOVÁNÍ A URČOVÁNÍ STÁŘÍ NEROSTŮ Datování s využitím kosmogenních nuklidů A(t) – stanovená měrná aktivita vzorku A0 - rovnovážná měrná aktivita 14C t - uplynulý čas, zde tedy stáří předmětu (tj. doba od smrti organismu) 1 na 1 g uhlíku v živé hmotě připadá 15,3 přeměny za minutu (= rovnovážná měrná aktivita) 14C (T = 5730 let) se tvoří v horních vrstvách atmosféry jadernou rekcí 14N (n,p) 14C, neutrony pocházejí z kosmického záření Datovat lze předměty cca do stáří 40 000 - 50 000 let (do cca 10 uplynulých poločasů přeměny, tehdy se nuklidy považují za vymřelé) • atomy uhlíku 14 C vznikají ve vysoce excitovaném stavu a rychle reagují na 14 CO2 • 14 CO2 se asimiluje v rostlinách (fotosyntéza), účastní se tak potravinového řetězce, • rozpouští se také ve vodě, která je organismy přijímána • poměr atomů 14C/12 C se udržuje po dobu života organismu (koloběh uhlíku v přírodě) • v případě, že organismus odumře, řetězec koloběhu se přeruší a radioaktivní uhlík pouze vymírá Doba přeměny Procento přeměněného uhlíku 14C 5730 let 50 % 11460 let 75 % 17190 let 87,5 % 22920 let 93,75 % 28650 let 96,875 % 34380 let 98,4375 % 40110 let 99,21875 % 45840 let 99,609375 % 51570 let 99,8046875 % 2 Urychlovačová hmotnostní spektrometrie • tato metoda slouží k absolutnímu stanovení zbytkového 14C, je mnohem citlivější, umožňuje stanovit stáří vzorků do cca 100 000 let • uhlíkatý vzorek s obsahem 12C a 14C se nejprve katalyticky převede na CO2 • dalším zařízení se zase katalyticky CO2 převede na čistý uhlík • ten se plní do skleněných kapilár a vkládá se do přístroje Na obrázku vlevo je baterie rozkladných nádobek, vpravo je jejich detail. Vlevo dole na snímku je schéma procesu na obrazovce monitoru Vpravo dole je záběr na kapiláru se vzorkem. 3  vlevo se nachází ionizační a urychlovací segment  uprostřed je zahnutý segment (viz i na dalším snímku), kde na svazek iontů působí elektrické a magnetické pole, dochází k zakřivení drah svazků iontů  následuje separační část přístroje následovaná detekcí 12C a 14C  z poměru 14C/12C se pak stanoví čas, který musel uplynout, aby se tento poměr ustavil = stáří vzorku. 4 5 Urychlovačová hmotnostní spektrometrie je použitelná pro určování stáří i jiných kosmogenních nuklidů. stanovovaný nuklid výskyt urychlovaná částice poznámka 10B mořské sedimenty, polární led 10B16O- 10B3+ 107 atomů 36Cl, 129I podzemní vody 27Al mořské sedimenty 3H uzavřené vody rovnovážné koncentrace jsou ovlivněny atomovými výbuchy 6 Jaderná chronologie – určování stáří nerostů Pro hromadění stabilního nuklidu Y, který vzniká procesem X(radioaktivní) Y (stabilní) lze odvodit vztah (Hála str. 59-60): NY t NX (e 1) kde NY a NX jsou počty částic dceřiného a mateřského nuklidu v době t, což je doba, která uplynula od krystalizace nerostu. Předpokládá se totiž, že:  v době krystalizace nerostu je v něm obsažen pouze dlouhodobý radioaktivní nuklid X  ten se přeměňuje a stabilní produkt rozpady Y se v nerostu pouze hromadí  nepředpokládají se jeho ztráty do okolí (např. difuzí)  je třeba najít separační metodu, která stanoví zbytkové množství X a množství vzniklého Y  známe-li tedy obsah obou nuklidů v době stanovení stáří, pak platí pro stáří nerostu vztah t  1 ( NY 1)  NX 7 Metoda draslík-argonová obsah 40K se zjistí z celkového obsahu draslíku a jeho zastoupení v přírodní směsi (0,012 %) 40Ar se stanoví po zahřátí vzorku v křemenné aparatuře na 2000 °C – uvolněný argon se stanoví hmotnostní spektrometrií stáří pozemských hornin je cca (2-3).109 let, stáří měsíčních hornin a kamenných meteoritů kolem 4,5.109roků Další metody jaderné chronologie:  metoda rubidium-stronciová 40K (T=1,27.1010 roků) 40Ar 87Rb(T=4,7.1010 roků, obsah v přír. Rb je 27,85 %) 87Sr 8  metoda samarium-neodymová 187Re(T=6.1010 roků, 62,93 %) 187Os  metoda lutecium-hafniová 176Hf 147Sm(T=1,1.1010 roků, 14,97 %) 147Nd 238U(T=1.1016 roků, 99,3%) nuklidy Xe (hm. spektrometrie) Vznikající trosky opouštějí místo svého vzniku s celkovou energií cca 170 MeV a při brzdění vyvolávají poruchy krystalové mříže, které se studují pod mikroskopem a které jsou schopny vypovídat o stáří horniny  metoda rhenium-osmiová (pro molybdenity, které obsahují malé množství rhenia) 9 176Lu(T=2,1.1010 roků, 2,6 %)  metoda uranová (využívá se samovolného štěpení)