Калиево-аргонов метод (K-Ar) на датиране

Знаем, че всеки химичен елемент се определя от броя на протоните в ядрото си. Да вземем за пример калия. Поглеждаме Менделеевата таблица. Тук можеш да я видиш частично. Забележи, че калият има 19 протона. Можем да го запишем и по следния начин. Информацията се повтаря. Знаем, че калият е атом с 19 протона. Знаем и, че ако даден атом има 19 протона, то той е калий. Известно ни е, че не всички атоми на даден елемент имат същия брой неутрони. Когато говорим за един и същи елемент с различен брой неутрони, наричаме тези негови варианти изотопи. Калият например може да съществува под формата на атом с 20 неутрона. Нарича се калий-39. 39 е масовото число на този атом и представлява сборът на 19 протона и 20 неутрона. Това е най-разпространеният изотоп на калия, като приблизително 93,3% от калия, съществуващ на Земята, е калий-39. Сега ще разгледаме някои от другите изотопи на калия. Както вече споменах, няма смисъл да се пише и K, и 19. Друг изотоп на калия е калий-41, който съдържа 22 неутрона. 22 плюс 19 е равно на 41. Този изотоп представлява около 6,7% от калия на планетата. Третият изотоп на калия е изключително рядък и се нарича калий-40. Очевидно съдържа 21 неутрона. Изключително рядък изотоп. Представлява само 0,0117% от калия на Земята. Тъкмо този изотоп на калия обаче е интересен от гледна точка на датирането на праисторически скали, особено магмени скали. Както ще видим след малко, датирането на древни магмени скали позволява да бъдат датирани други типове скали или вкаменелости, които може да са разположени между магмените скали. Периодът на полуразпад на калий-40 трае 1,25 милиарда години. В сравнение с други методи за датиране като например въглерод-14, датирането по калий-40 може да се приложи на находки, датиращи отпреди стотици хиляди, стотици милиони години. На всеки 1,25 милиарда години, което е периодът на полуразпад, 50% от наличния калий ще се е разпаднал. 11% от калия ще се е разпаднал на аргон-40. Аргонът е ето тук. Има 18 протона. Ако калий-40 се разпада на аргон-40, това означава, че е изгубил един протон, но притежава същото масово число. Един от протоните трябва някак да се е превърнал в неутрон и хваща един от вътрешните електрони, след което освобождава разни частици...е, няма да се задълбочавам в квантовата физика зад този процес, но резултатът е, че 11% от калия се превръща в аргон-40, докато 89% от него се превръща в калций-40. Ето тук се намира в периодичната система. Калцият има 20 протона. В първата ситуация един от неутроните се превръща в протон. Във втората ситуация един от протоните се превръща в неутрон. Нас ни интересува ето тази част. От плейлиста с уроци по химия сигурно си спомняш, че аргонът е благороден газ, тоест е инертен. Когато бъде поставен във вещество в течно състояние, той просто ще "изкипи". Не се свързва с нищо, така че просто ще излети в атмосферата. Можеш да си представиш какво би се случило по време на изригване на вулкан. Ето тук ще нарисувам един вулкан. Да кажем, че това е нашият вулкан. Той изригва в някакъв момент от миналото. При изригването му потича огромно количество лава. Тя ще съдържа калий-40, но също и аргон-40. Интересното при аргон-40 е, че докато лавата е течна... представи си я ето тук... всичко това ето тук... и тя съдържа... Ще направя калий-40 в различен цвят. Калий-40 ще бъде в пурпурно. И така, в лавата ще се съдържа калий-40. Може би се престаравам с количеството. Това е много рядък изотоп. Но при всички положения ще съдържа калий-40. Може вече да съдържа аргон-40, но както казахме, аргонът е благороден газ и няма да се свърже с нито един елемент. Докато лавата е в течно състояние, аргонът ще може да излети на мехурчета. Тъй като няма образувани връзки, просто ще се изпари. "Изпари" не е точен термин. Ще се образуват мехурчета и ще се освободи в атмосферата, тъй като нищо не го задържа в лавата. Ще се възползва от течното ѝ състояние и ще излезе навън. Любопитен факт. При вулканичните изригвания аргонът напуска лавата, докато тя се втвърдява и се превръща в магмена скала. Магмената скала е в различен цвят. Когато лавата се втвърди, целият аргон-40 ще е изчезнал. Това е интересно, защото скалата е преминала в течно състояние и по този начин количеството на аргон-40 става равно на нула, като в крайна сметка остава калий-40. Затова обръщаме по-голямо внимание на аргон-40. Не е задължително калций-40 да е изтекъл с лавата, а може и скалата преди това да е съдържала калций-40. Калций-40 може и да остане, но аргон-40 задължително ще се освободи. И така в резултат на вулканичното изригване количеството на аргон-40 става равно на нула. Когато лавата се втвърди, не би следвало да има абсолютно никакъв аргон-40 вътре в нея. Да отскочим няколко милиона години след вулканичното изригване. Ако анализираме съдържанието на къс скала... ще копирам и ще го поставя... и установим, че съдържа аргон-40, знаем, че това е магмена скала, образувана в следствие на изригване на вулкан. Освен това знаем, че наличният аргон-40 е образуван в резултат на разпада на калий-40. Калий-40 се е разпаднал на аргон-40 след изригването, защото няма как аргонът да се е появил в скалата по друг начин. Единственият начин, по който аргон-40 остава "заклещен" в скалата, тъй като аргонът се е отделил, когато лавата е течна, но после се е образувал вътре в нея, когато лавата е вече втвърдена. Тоест единственото обяснение за наличието на аргон-40 в магмена скала е разпадът на калий-40. Можеш да изчислиш съотношението – Тъй като само едва 11% калий-40 се разпада на аргон-40, за всеки атом аргон-40 би трябвало да има около 9 атома калций-40, които също са се разпаднали. За всеки атом аргон-40 трябва да е имало общо 10 атома калий-40. Въз основа на съотношението между настоящия брой атоми на калий-40 и първоначалния брой атоми можем да определим възрастта на магмената скала. В следващото видео ще разгледаме математическата формула, необходима за този процес. Датирането по калий-аргон-40 е важно, защото позволява да сравним съотношенията. Не всеки ден изригват вулкани в наши дни, но в рамките на милиони години вулканите всъщност изригват сравнително често. Ако започнем да копаем, да кажем, ето тук, и копаем достатъчно надълбоко, за да стигнем до пласт магмена скала, след което продължим да копаем, докато не стигнем до втори пласт магмена скала. Ето тук има друг пласт вулканична скала. Всяка от тях ще съдържа определено количество калий-40. Ето тук имаме определено количество калий-40, Тази скала съдържа повече аргон-40, а тази – малко по-малко. Благодарение на формулата, която ще разгледаме в следващото видео, на периода на разпад и на съотношението на наличния аргон-40 или на наличния калий-40 спрямо първоначалното количество аргон или калий успяваме да изчислим, че лавата трябва да се е втвърдила преди 100 милиона години, 100 милиона години преди скалата да бъде открита. Вторият пласт магмена скала пък се е образувал преди около 150 милиона години. Можем да бъдем сравнително сигурни, че почвата между тях не е била разкопавана или размествана преди това, когато анализираме отделни проби от нея. Да кажем, че сме открили вкаменелости в почвата между двата пласта магмени скали. Датирането по въглерод-14 не би ни свършило работа, тъй като позволява датирането на вкаменелости на не повече от 50 000 години, Но тъй като вкаменелостите, които сме открили, са разположени между два пласта магмени скали, ако предположим, че почвата не е била размествана, можем да определим, че въпросните вкаменелости датират от преди 100-150 милиона години. Първо изригва този вулкан и се образува магмената скала, след което някои животни умират и техните останки се запазват в почвата под формата на вкаменелости. След това изригва и вторият вулкан. По този начин, въпреки че датираме пряко само двата пласта магмени скали, можем косвено да определим възрастта на вкаменелости, намиращи се между тези пластове. С други думи датирането по калий-аргон-40 не само ни позволява да датираме магмени скали, но и вкаменелости от преди милиони години, чиято възраст не бихме могли да определим посредством радиовъглеродното датиране.