Metody datowania izotopowego

Datowanie izotopowe (radiodatowanie) – metody datowania próbek, oparte na zjawisku rozpadu promieniotwórczego, stosowane 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 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.:

• datowanie radiowęglowe

• datowanie uranowo-torowe

• datowanie potasowo-argonowe

• datowanie rubidowo-strontowe

• datowanie ołowiowe

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. 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.

Metoda uranowo-torowa – 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.

Metoda potasowo-argonowa (K-Ar) – 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.

Datowanie rubidowo-strontowe - metoda datowanie bezwzględnego ze względu na bardzo długi czas rozpadu izotopu rubidu (wynosi on około 48,6 mld lat) W tej metodzie Rb87zamienia sie w Sr87. Metoda ta jest użyteczna do datowania skal magmowych i osadowych o wieku ponad 100 mln lat.

Datowanie ołowiowe (Pb-Pb) - metoda izotopów ołowiu Alfreda O Niera, stosowana do obliczania wieku najstarszych skał w skali miliardów lat.