Datació radiométrica

La datació radiométrica, datació radioactiva o datació per radioisòtops és una tècnica utilisada para datar materials com roques, mineralés i restants orgànics (carbono), en els que es varen incorporar de manera selectiva impureas radiactives quan es varen formar. El método es basa en la comparació de l'abundància d'un radionucleido d'ocurrència natural dins del material en l'abundància de les seues productes de descomposició, que es formen a una taxa constant de desintegració coneguda. L'us de la datació radiométrica va ser publicat per primera volta en 1907 pel radioquímico nortamericà Bertram Boltwood (1870-1927) —a partir d'una idea ya alvançat pel britànic Ernest Rutherford en 1905— i ara és la principal font d'informació sobre l'edat absoluta de les roques i unes atres característiques geològiques, inclosa l'edat de les formes de vida fosilizadas o la pròpia edat de la Terra, i també es pot utilisar per a datar una àmplia gama de materials naturals i artefactes antics. En permetre l'establiment d'escales de temps geològiques, proporciona una important font d'informació sobre les edats dels fòssilés i les taxes deduïdes de canvi evolutiu.

Junt en els principis estratigráficos, els métodos de datació radiométrica s'utilisen en geocronología per a establir l'escala temporal geològica. Entre les tècniques més conegudes estan la datació potassi-argón, la datació urani-plome i la datació per radiocarbono (basada en la desintegració del isòtop carbono 14), comunament utilisada per a la datació de restants orgànics relativament recents, de fins a 60 000 anys. (Uns atres datacions possibles són K/Ar, O/Pb, Rb/Sr, Sm/Nd, etc.)

Els diferents métodos de datació radiométrica varien segons siga l'escala de temps en la que són precisos i dels materials als que es poden aplicar.

Fonaments

Desintegració radioactiva

Eixemple d'una cadena de desintegració radiactiva de plom 212 (²¹²Pb) a plom 208 (²⁰⁸Pb). Cada nucleido pare es desintegra espontàneament en un nucleido fill (el producte de desintegració) a través d'una desintegració α o d'una desintegració β. El producte final de desintegració, plom 208 (²⁰⁸Pb), és estable i ya no pot sofrir desintegració radiactiva espontànea.

Tota la matèria ordinària es compon de combinacions d'elements químics, cada u en el seu propi número atómico, que indica el número de protones en el núcleu atòmic. Ademés, els elements poden existir en diferents isòtops, en cada isòtop d'un element diferint en el número de neutrons en el núcleu. Un isòtop particular d'un element particular es diu nucleido. Alguns nucleidos són inherentemente inestables. És dir, en algun moment en el temps, un àtom de tal nucleido sofrirà un decaiguda radioactivo i es transformarà espontàneament en un nucleido diferent. Esta transformació es pot conseguir de vàries maneres diferents, inclosa la desintegració alfa (emissió de partícules alfa) i la desintegració beta (emissió d'electrons, emissió de positrones o captura d'electrons). Una atra possibilitat és la fissió espontànea en dos o més nucleidos.

Si ben el moment en el que un núcleu particular es desintegra és impredictible, una colecció d'àtoms d'un nucleido radiactiu decau exponencialment a una taxa descrita per un paràmetro conegut com vida mija, generalment donada en unitats d'anys quan s'estudien les tècniques de datació. En acabant de que haja transcorregut una vida mija, la mitat dels àtoms del nucleido en qüestió s'hauran desintegrat en un nucleido «fill» o producte de desintegració. En molts casos, el nucleido «fill» en sí mateixa és radioactivo, lo que resulta en una nova cadena de desintegració, que finalment termina en la formació d'un nucleido «fill» estable (no radioactivo); cada pas en tal cadena es caracterisa per una vida mija distinta. En estos casos, generalment la vida mija d'interés en la datació radiométrica és la més llarga de la cadena, que és el factor limitante de la velocitat en la transformació final del nucleido radioactivo en el seu «fill» estable. Els sistemes isotòpics que han segut explotats per a la datació radiométrica tenen vides miges que van des de solament uns 10 anys (per eixemple, triti) fins als més de 100 000 millons d'anys (per eixemple, el samari 147).

Per a la majoria dels nucleidos radiactius, la vida mija depén únicament de les propietats nuclears i és essencialment una constant. No es veu afectat per factors externs com la temperatura, la pressió, l'entorn químic o la presència d'un camp magnètic o elèctric. Les úniques excepcions són els nucleidos que es descomponen pel procés de captura d'electrons, com el berili 7, l'estronci 85 i el zirconi 89, la taxa del qual de decaiguda pot vore's afectada per la densitat electrònica local. Per a tots els demés nucleidos, la proporció del nucleido original en relació en els seus productes de desintegració canvia de manera predible a mida que el nucleido original decau en el temps. Esta previsibilidad permet que les abundància relatives dels nucleidos relacionats s'utilisen com un rellonge per a medir el temps des de l'incorporació dels nucleidos originals en un material fins al present.

Precisió de la datació radiométrica

Espectrómetro de masses de ionisació tèrmica utilisat en la datació radiométrica

L'equació bàsica de la datació radiométrica requerix que ni el nucleido «pare» ni el producte «fill» puguen entrar o eixir del material despuix de la seua formació. Els possibles efectes de confusió de la contaminació dels isòtops «pare» i «fill» deuen considerar-se, de la mateixa manera que els efectes de qualsevol pèrdua o guany de dits isòtops des de que es va crear la mostra. Per lo tant, és essencial contar en la major cantitat d'informació possible sobre el material que s'està datant i verificar possibles signes d'alteració. La precisió es millora si les medicions es prenen en múltiples mostres de diferents ubicacions del cos de roca. Alternativament, si es poden datar varis minerals diferents de la mateixa mostra i se supon que varen ser formats pel mateix event i que estaven en equilibri en el jaciment quan es varen formar, deurien formar una isócrona. Açò pot reduir el problema de la contaminació. En la datació urani-plome, s'utilisa el diagrama de concòrdia que també disminuïx el problema de la pèrdua de nucleidos. Finalment, la correlació entre els diferents métodos de datació isotòpica pot ser necessària per a confirmar l'edat d'una mostra. Per eixemple, es va determinar que l'edat dels gneisés de Amitsoq, en l'oest de Groenlàndia, era de Plantilla:Ma/1 millons d'anys (Ma) utilisant la datació plome-urani i de Plantilla:Ma/1 Ma utilisant la datació de plom-plome, resultats que coincidixen entre sí.

Una datació radiométrica precisa generalment requerix que el «pare» tinga una vida mija lo suficientment llarga com per a que estiga present en cantitats significatives en el moment de la medició (llevat, com es descriu a continuació, en la «Datació en radionucleidos extints de vida curta»), que la vida mija del «pare» es conega en precisió i que es produïxca suficient cantitat del producte «fill» per a medir-ho i distinguir-ho de la cantitat inicial del «fill» present en el material. Els procediments utilisats per a aïllar i analisar els nucleidos «pare» i «fill» deuen ser precisos i segurs. Açò normalment implica l'us d'espectrometria de masses de relació isotòpica.

La precisió d'un método de datació depén en part de la vida mija de l'isòtop radioactivo involucrat. Per eixemple, el carbono 14 té una vida mija de 5730 anys. En acabant de que un organisme haja estat mort des de fa 60 000 anys, queda tan poc carbono 14 que no es pot establir una datació precisa. Per un atre costat, la concentració de carbono-14 cau tan abruptament que l'edat dels restants relativament jóvens es pot determinar en una precisió d'unes poques décades.

Temperatura de tancament

Si un material que rebuja selectivament el nucleido fill es calfa, qualsevol nucleido fill que s'haja acumulat a lo llarc del temps es perdrà per difusió, lo que posarà a zero el rellonge isotòpic. La temperatura a la que succeïx açò es coneix com temperatura de tancament o temperatura de bloqueig i és específica de cada material en particular i sistema isotòpic. Estes temperatures es determinen experimentalment en el laboratori per mig del restabliment artificial dels minerals de mostra utilisant un forn d'alta temperatura. A mida que el mineral es gela, comença a formar-se l'estructura cristalina i la difusió dels isòtops és menys fàcil. A certa temperatura, l'estructura cristalina s'ha format lo suficient com per a evitar la difusió d'isòtops. Eixa temperatura és lo que es coneix com a temperatura de tancament i representa la temperatura per baix de la qual el mineral és un sistema tancat per als isòtops. Per lo tant, una roca o massa fosa ígnea o metamòrfica, que s'està gelant llentament, no comença a mostrar una disminució radiactiva mensurable fins que es gele per baix de la temperatura de tancament. L'edat que es pot calcular per datació radiométrica és, per lo tant, el moment en que la roca o el mineral es varen gelar fins a la temperatura de tancament. La datació de diferents minerals i/o sistemes d'isòtops (en diferents temperatures de tancament) dins de la mateixa roca pot, per lo tant, permetre el seguiment de l'història tèrmica de la roca en qüestió en el temps, i per lo tant l'història dels events metamòrfics pot ser coneguda en detalle. Este camp es coneix com termocronología o termocronometría.

Equació de datació

Traçat de la isócrona Sm/Nd de mostres del Great Dyke, Zimbabue. L'edat es calcula a partir de la pendent de la isócrona (llínea) i la composició original de l'intersecció de la isócrona en l'eix Y.

L'expressió matemàtica que relaciona la desintegració radioactiva en el temps geològic és:

$D=D_0+N(t)(e^{\lambda t}-1)$

o

$t=\frac{1}{\lambda }\ln (1+\frac{D}{D_0})$

sent:

$t=$, l'edat de la mostra,

$D=$, el número d'àtoms de l'isòtop «fill» en la mostra,

$D_0=$, el número d'àtoms de l'isòtop «fill» en la composició original (igual al n.º d'àtoms «pare» que han decaigut radioactivamente),

$N(t)$, el número d'àtoms de l'isòtop «pare» en la mostra en el moment t (el present), donat per N(t) = N_oi^-λt, i

$\lambda =$, la constant de desintegració radiactiva de l'isòtop «pare», igual a l'inversa de la vida mija —duració promig d'un isòtop radiactiu prèvia a la seua desintegració— de l'isòtop «pare» multiplicat pel logaritmo neperiano o natural ($\ln$) de 2. La vida mija és igual a l'inversa de la constant de desintegració radiactiva: $\tau =1/\lambda$. A l'hora que transcorre fins que la cantitat de nucleidos es reduïx a la mitat de la cantitat inicial se li denomina periodo de semidesintegración, periodo, semiperiodo o semivida (no confondre en la vida mija): $T_{1/2}=ln(2)/\lambda$. Al final de cada periodo de semidesintegración la radiactivitat es reduïx a la mitat (de l'inicial). A cada radioisòtop li correspon un periodo de semidesintegración característic, en general diferent dels respectius d'atres isòtops.

L'equació s'expressa millor en térmens de la cantitat medida $N(t)$ en lloc del valor inicial constant $N_0$.

L'equació anterior fa us de l'informació sobre la composició dels isòtops «pare» i «fill» en el moment en que el material que s'està provant es va gelar per baix de la seua temperatura de tancament. Açò està ben establit per a la majoria dels sistemes isotòpics. No obstant, la construcció d'una isócrona no requerix informació sobre les composicions originals, utilisant simplement les relacions actuals dels isòtops «pare» i «fill» d'un isòtop estàndar. El traçat d'una isócrona s'utilisa per a resoldre gràficament l'equació d'edat i calcular l'edat de la mostra i la composició original.

Esta equació és vàlida sempre que el modo de decaiguda de l'isòtop «pare» siga únic i que l'isòtop «fill» siga estable. Per a atres casos es poden obtindre equacions més complexes, en les que es tenen en conte múltiples decaigudes possibles.

Métodos moderns de datació

La datació radiométrica es coneix des de 1905, quan va ser ideada per Ernest Rutherford com un método pel qual es podria determinar l'edat de la Terra. En el sigle transcorregut des de llavors, les tècniques s'han millorat i ampliat enormement. La datació es pot realisar ara en mostres molt menudes, de l'orde d'un nanogramo, usant un espectrómetro de masses. L'espectrómetro de masses es va inventar en la década de 1940 i va començar a usar-se en la datació radiométrica en la década de 1950. Opera generant un fes d'àtoms ionizados a partir de la mostra a prova. Després, els ions viagen a través d'un camp magnètic, que els desvia cap a diferents sensors de mostreig, coneguts com «copes de Faraday», segons siguen la seua massa i nivell de ionisació. En impactar en les copes, els ions establixen una corrent molt dèbil que pot medir-se per a determinar la taxa d'impactes i les concentracions relatives dels diferents àtoms en els fas.

Método de datació per les traces de fissió

Els cristals d'apatita són àmpliament utilisats en la datació per les traces de fissió

Este método implica l'inspecció d'un brot polit d'un material per a determinar la densitat de les marques de "traça" (track) deixades en ell per la fissió espontànea d'impurees d'urani 238. El contingut d'urani de la mostra deu ser conegut, pero això pot determinar-se colocant una película de plàstic sobre la rebanada polida del material i bombardejant en neutrons llents. Açò provoca una fissió induïda de ²³⁵O, en oposició a la fissió espontànea de ²³⁸U. Les traces de fissió produïdes per este procés es registren en la película de plàstic. El contingut d'urani del material es pot calcular a partir del número de traces i del fluix de neutrons.

Este esquema té aplicació en una àmplia gama de dates geològiques. Per a dates de fins a uns pocs millons d'anys, s'utilisen millor les micas, les tectitas (fragments de vidre de erupció volcàniques) i els meteorits. Els materials més antics es poden datar utilisant zirconi, apatita, titanita, epidota i granate que tenen una cantitat variable de contingut d'urani. Degut a que les chafades de fissió es curen en temperatures de més de 200 °C, la tècnica té tant llimitacions com a beneficis. La tècnica té aplicacions potencials per a detallar l'història tèrmica d'un jaciment.

Método de datació del clor 36

Entre 1952 i 1958, es varen produir grans cantitats del, per lo demés rar, ³⁶Cl (semivida 300 ka) durant la detonació atmosfèrica de les armes nuclears. El temps de residència de el ³⁶Cl en l'atmòsfera és d'aproximadament 1 semana. Per lo tant, com un marcador d'events dels anys 1950 d'aigua en el sol i d'aigua subterrànea, el ³⁶Cl també és útil per a la datació d'aigües de menys de 50 anys abans del present. El ³⁶Cl ha segut usat en atres àrees de les ciències geològiques, com la datació de gèls i sediment.

Métodos de datació per lluminiscència

Artícul principal → datació per lluminiscència.

Els métodos de datació per lluminiscència no són métodos de datació radiométrica perque no depenen de l'abundància d'isòtops per a calcular l'edat. En canvi, són una conseqüència de la radiació de fondo en certs minerals. En el temps, la radiació ionisant és absorbida pels grans minerals en sediment i materials arqueològics com el cuarzo i el feldespat de potassi. La radiació fa que la càrrega permaneixca dins dels grans en «trampes d'electrons» estructuralment inestables. L'exposició a la llum solar o a la calor llibera eixes càrregues, lo que «blanqueja» la mostra i restablix el rellonge a zero. La càrrega atrapada s'acumula en el temps fins a una taxa determinada per la cantitat de radiació de fondo en el lloc a on es va enterrar la mostra. L'estimulació d'estos grans minerals per mig de la llum (lluminiscència estimulada ópticamente o datació de lluminiscència estimulada en infrarrojos) o la calor (datació per termoluminiscencia) fa que s'emeta una senyal de lluminiscència a mida que es llibera l'energia electrònica inestable almagasenada, l'intensitat de la qual varia depenent de la cantitat de radiació absorbida durant el sepeli i de les propietats específiques del mineral.

Estos métodos es poden usar per a datar l'edat d'una capa de sediment, ya que les capes depositades en la part superior evitarien que els grans es "blanquejaren" i es restabliren en la llum solar. Els fragments de ceràmica es poden datar fins a l'última volta que varen experimentar una calor significativa, generalment quan varen ser horneados en un kiln.

Atres métodos

Atres métodos són els següents: