Založeno na rozpadovém zákonu

Založeno na rozpadovém zákonu

• Založeno na rozpadovém zákonu

Metody gelogického datování

• Metody gelogického datování

• draslíko-argonová
• rubidium-stronciová, olovo-olověná
• uran-thoriová
• Dráhy štěpných trosek

• Datování vzorků vzniklých lidskou činností

• Radiouhlíková
• Termoluminiscenční a opticky stimulovaná luminiscence

K-Ar dating is a method used in many geoscience disciplines. It is based on measuring the products of the RA decay of K

• K-Ar dating is a method used in many geoscience disciplines. It is based on measuring the products of the RA decay of K

• 39K (93.2581%), 40K (0.0117%), 41K (6.7302%).

• 40Ca is the most common form of Ca – the increase in abundance due to K decay results in a negligible increase in total abundance. The 40Ar isotope is much less abundant - a more useful.

• Whereas argon is a gas, it is able to escape from molten rock. However, when the rock solidifies, the decayed 40Ar will begin to accumulate in the crystal lattices. The ratio between the 40Ar and the 40K is related to the time elapsed since the rock was cool enough to trap the Ar.

Due to the long half-life, the technique is most applicable for dating minerals and rocks >100,000 years old. Although it finds the most utility in geological applications, it plays an important role also in archaeology.

• Due to the long half-life, the technique is most applicable for dating minerals and rocks >100,000 years old. Although it finds the most utility in geological applications, it plays an important role also in archaeology.

• In order to determine the 40Ar content of a rock, it must be melted and the isotopic composition of the released gas measured via mass spectrometry.

• It is also necessary to separately measure the amount of 40K in the sample. This can be measured using flame photometry (determination of amount of K and use of known isototopic composition) or atomic absorption spectroscopy.

• A problem with K-Ar dating is that if there is a heterogenity in the sample, then the aliquots used for determining K concentrations and 40Ar abundances may have different K/Ar. This can lead to an inaccurate date.

• Ar se může do vzorku dostat i stykem s atmosférou – lze odhadnout pomocí měření příměsi 36Ar ve vzorku a známého izotopického složeni Ar. 36Ar se do vzorku nemůže dostat jinak.

• „Jednoduchá“ metoda, ale otázka přesnosti

• A problem with K-Ar dating is that if there is a heterogenity in the sample, then the aliquots used for determining K concentrations and 40Ar abundances may have different K/Ar.

• 40Ar/39Ar is a similar technique which measures the isotopic content of the same sample, so this problem can be avoided

• prior to measurement in a mass spectrometer, the sample is irradiated in a nuclear reactor with high-energy neutrons and some of the 39K is converted to 39Ar – (n,p) reaction. The relative abundance of 40Ar/39Ar can be measured in the same sample. This is an advantage over K-Ar dating, where the K and Ar must be measured separately. But the reaction cross section for must be accurately known 39K(n,p)39Ar. (… also amount of 40Ar should be affected by this reaction but this is probably negligible)

• Both Ar isotopes of interest come from K in this case - the same part of a sample can be used

Datování velmi starých hornin

• Datování velmi starých hornin

• Předpoklad: N(86Sr(t=0)) = N(86Sr(t))

Máme-li různé vzorky, které vznikly ve stejné době a měli stejný počáteční poměr q (stejná „hornina“ – láva z níž krystalizovaly), v rovině (x,y) -> lze určit k (směrnice přímky) a tím i čas t

• Máme-li různé vzorky, které vznikly ve stejné době a měli stejný počáteční poměr q (stejná „hornina“ – láva z níž krystalizovaly), v rovině (x,y) -> lze určit k (směrnice přímky) a tím i čas t

• Lze použít pro horniny, které obsahují různé minerály (v nich se počáteční poměr Sr/Rb liší) a žádné Sr, ani Rb z nich neuniklo

Metoda izochron aplikovaná na jiné izotopy – Pb-Pb metoda (stáří sluneční soustavy – viz několik následujících stránek)

• Metoda izochron aplikovaná na jiné izotopy – Pb-Pb metoda (stáří sluneční soustavy – viz několik následujících stránek)

204Pb nevzniká v žádné rozpadové řadě, zatímco 206Pb a 207Pb ano

• 204Pb nevzniká v žádné rozpadové řadě, zatímco 206Pb a 207Pb ano

Lead isotope isochron diagram used by C. C. Patterson to determine the age of the Earth in 1956. Animation shows progressive growth over 4550 million years (Myr) of the lead isotope ratios for two stony meteorites (Nuevo Laredo and Forest City) from initial lead isotope ratios matching those of the Canyon Diablo iron meteorite.

• Lead isotope isochron diagram used by C. C. Patterson to determine the age of the Earth in 1956. Animation shows progressive growth over 4550 million years (Myr) of the lead isotope ratios for two stony meteorites (Nuevo Laredo and Forest City) from initial lead isotope ratios matching those of the Canyon Diablo iron meteorite.

U je částečně rozpustný ve vodě -> všechny materiály vzniklé z vody obsahují stopy U (10-9-10-6 hmotnostních).

• U je částečně rozpustný ve vodě -> všechny materiály vzniklé z vody obsahují stopy U (10-9-10-6 hmotnostních).

• Th naopak není rozpustné za „rozumných“ podmínek blízko povrchu (lze použít např. ke stanovení stáří krápníků)

• Rovnováha mezi 238U a 234U nastolena asi po 250 000 let od produkce 238U (měření na Zemi bez problémů) – poté už je A(238U) = A(234U)

• Pak

• Pokud :

• Neměří se stabilní izotop, ale rozpadající se 230Th – horní mez asi 500 000 (možná spíše 300 000) let, pak už nastolena rovnováha mezi Th a U (dáno dobou života Th); nejkratší doby asi 10 000 let

U-Th technique does not measure accumulation of a stable decay product.

• U-Th technique does not measure accumulation of a stable decay product.

238U se v malém procentu případů může rozpadat ne emisí  částice, ale samovolným štěpením ( = 6.9x10-17/y)

• 238U se v malém procentu případů může rozpadat ne emisí  částice, ale samovolným štěpením ( = 6.9x10-17/y)

• Štěpné trosky zanechávají v materiálu stopy o délce řádově 10 m

• Tyto stopy lze pomocí vhodných chemických reagentů dostat na povrch vzorku a pozorovat pod mikroskopem

• Kalibrace pomocí ozáření v reaktoru

• Je to „kumulativní“ metoda

• Současné množství 238U lze zjistit např. pomocí štěpení 235U pomalými neutrony (238U se neštěpí) – měří se opět z množství drah a známého toku n

Princip: působením kosmického záření v atmosféře kontinuálně vzniká radioaktivní 14C v reakci s neutrony:

• Princip: působením kosmického záření v atmosféře kontinuálně vzniká radioaktivní 14C v reakci s neutrony:

• T1/2(14C) = 5700(30) y, proto se v atmosféře nehromadí bez omezení:

• Za předpokladu časově neproměnného toku kosmického záření se postupně ustavila rovnováha mezi produkcí radioaktivního uhlíku a jeho úbytkem radioaktivní přeměnou a tedy i rovnovážný poměr mezi množstvím neaktivního a radioaktivního uhlíku v atmosféře (cca 1 g 14C na 1012 g vzdušného uhlíku). Ve formě CO2 přechází uhlík dýcháním do biologických organismů, proto i v nich se vytvoří rovnovážná koncentrace 14C.

• Autorem W.D. Libby – 40. léta 20. stol. (1960 NC za chemii)

• Za rok se v atmosféře vytvoří jen asi 7.5 kg (2.4 ± 0.4 14C/cm2s)

• 14C/ 12C = 1.2 x 10-12

Po odumření rostliny či živočicha:

• Po odumření rostliny či živočicha:

• zastaví se přísun nového 14C do organismu,

• původní rovnovážná koncentrace se poruší radioaktivní přeměnou 14C

• Měří se poměr vůči 12C z „dnešních “ vzorků

Nejdůležitější problémy metody:

• Nejdůležitější problémy metody:

• Obtížná detekce obsahu 14C - jedná se o velmi nízké aktivity zářiče nízkou Emax (=156 keV) a tedy špatně měřitelným zářením.

• 1% příměs dnešního C dává pro 34 000 let starý vzorek chybu 4000 let a pro nekonečně starý vzorek dává 38 000 let
• žádné  se neemituje

• Proměnná rychlost vzniku 14C

• díky změnám zemského magnetického pole (produkce n v atm.)
• díky změnám „absorbční“ schopnosti oceánů
• nutno korigovat např. podle dendrochronologické stupnice.

• Destruktivnost metody - C je nutné ze zkoumaného vzorku chemicky separovat a tím se vzorek zničí. To omezuje možnosti aplikace metody na objekty, ze kterých lze nenávratně odebrat dostatečně velký vzorek.

• Nestejná izotopová frakcionace při přechodu jednotlivých izotopů uhlíku do některých biologických organismů.

• fotosyntéza je snad „hmotnostně“ závislá (CO2 diffusion, carboxylation,…) – rostliny mají méně 14C – zdají se starší

• Omyl archeologa nebo historika ohledně vztahu datovaného předmětu k době, ze které pochází, metoda určuje vždy pouze dobu smrti příslušného biologického organismu.

The first comprehensive test, using dated tree-rings and wood from Egyptian pyramids. The vertical scale shows the ratio of the radioactivity of the ancient sample to that from a modern one.

• The first comprehensive test, using dated tree-rings and wood from Egyptian pyramids. The vertical scale shows the ratio of the radioactivity of the ancient sample to that from a modern one.

Srovnání stáří stanoveného radiouhlíkovou a dendrochronologickou metodou.

• Srovnání stáří stanoveného radiouhlíkovou a dendrochronologickou metodou.

• Data sources: Stuiver et al. (1998). Samples with a real date more recent than AD 1950 are dated and/or tracked using the N- & S-Hemisphere graphs.

Dendrochronology

• Dendrochronology

Atmospheric 14C, New Zealand and Austria. The New Zealand curve is representative for the Southern Hemisphere, the Austrian curve is representative for the Northern Hemisphere. Atmospheric nuclear weapon tests almost doubled the concentration of 14C in the Northern Hemisphere

• Atmospheric 14C, New Zealand and Austria. The New Zealand curve is representative for the Southern Hemisphere, the Austrian curve is representative for the Northern Hemisphere. Atmospheric nuclear weapon tests almost doubled the concentration of 14C in the Northern Hemisphere

Radiocarbon activity in the atmosphere relative to the value for the late nineteenth century. The data have been derived from measurements on dendrochronologically dated wood. An excess of 1% corresponds to an age underestimation of 83 years if correction is not made.

• Radiocarbon activity in the atmosphere relative to the value for the late nineteenth century. The data have been derived from measurements on dendrochronologically dated wood. An excess of 1% corresponds to an age underestimation of 83 years if correction is not made.

Generováno pohyby v zemském jádře – pozorují se změny ve směru a intenzitě (i přepólování)

• Generováno pohyby v zemském jádře – pozorují se změny ve směru a intenzitě (i přepólování)

Direction of the Earth’s magnetic field in southern Britain according to archaeomagnetic measurements and from AD 1576, according to observations recorded by scientists.

• Direction of the Earth’s magnetic field in southern Britain according to archaeomagnetic measurements and from AD 1576, according to observations recorded by scientists.

• The lower section shows the declination (D)—the angle between Magnetic North and True (Geographic) North.

• The upper section shows the inclination (I), or angle of dip—the angle by which the north-seeking end of a magnetized needle suspended at its centre of gravity points below the horizontal.

Měří se přímo aktivita (spálí se kousek vzorku a plynný vzorek v proporcionálním počítači) – 14C se rozpadá pomocí -rozpadu

• Měří se přímo aktivita (spálí se kousek vzorku a plynný vzorek v proporcionálním počítači) – 14C se rozpadá pomocí -rozpadu

• Nutnost velkého množství (5g) a dlouhá doba měření (15 c/s)

• Hmotnostním separátorem (accelerator mass spectroscopy) – měří se všechny atomy (nejen ty rozpadající se)

• stačí menší vzorek (0.1-10 mg), ale drahé vybavení
• problém s příměsemi (14N) ale v zásadě řešitelné (http://cas.web.cern.ch/cas/Holland/PDF-lectures/Van-der-Plicht/vdPlicht.pdf)
• je to dominantní metoda měření

• Existují i laserové techniky separace izotopů (laser isotope separation) – díky izotopickému posunu se mění energie hladin v atomovém obalu – budím zářením o B (laditelným laserem) a měřím tu samou frekvenci v jiném směru

• dají se odhalit příměsi asi do 10-6 - to ale, bohužel, nestačí

Netýká se jen C, ale i jiných izotopů

• Netýká se jen C, ale i jiných izotopů

Problém je i konečná šířka hladin (jejich překryv v různých izotopech)

• Problém je i konečná šířka hladin (jejich překryv v různých izotopech)

In 1980’s C-14 tests seemingly proved  it was medieval. Then in 2005, two scientists, working independently with different technologies, showed that those tests were wrong. Both found that the radiocarbon dating was performed on a repaired section of the cloth: a mixture of older and newer threads. There was enough newer material to skew the results by a dozen or so centuries.  Moreover, micro-chemical findings clearly showed that the shroud is much older… neverending story 

• In 1980’s C-14 tests seemingly proved  it was medieval. Then in 2005, two scientists, working independently with different technologies, showed that those tests were wrong. Both found that the radiocarbon dating was performed on a repaired section of the cloth: a mixture of older and newer threads. There was enough newer material to skew the results by a dozen or so centuries.  Moreover, micro-chemical findings clearly showed that the shroud is much older… neverending story 

In 2008, a typical uncertainty better than ±40 radiocarbon years can be expected for samples younger than 10,000 years. This, however, is only a small part of the uncertainty of the final age determination (calibration curve not taken into account).

• In 2008, a typical uncertainty better than ±40 radiocarbon years can be expected for samples younger than 10,000 years. This, however, is only a small part of the uncertainty of the final age determination (calibration curve not taken into account).

• As of 2007, the limiting age for a 1 milligram sample of graphite is about ten half-lives, approximately 60,000 years. This age is derived from that of the calibration blanks used in an analysis, whose 14C content is assumed to be the result of contamination during processing (as a result of this, some facilities will not report an age greater than 60,000 years for any sample).

• A variety of sample processing and instrument-based constraints have been postulated to explain the upper age-limit. To examine instrument-based background activities in the AMS instrument of the W. M. Keck Carbon Cycle Accelerator Mass Spectrometry Laboratory of the University of California, a set of natural diamonds were dated. Natural diamond samples from different sources within rock formations with standard geological ages in excess of 100 my yielded 14C apparent ages 64,920±430 BP to 80,000±1100 BP as reported in 2007.

Radiačně indukovaná TL a OSL: Metoda využívající „kumulativní“ projevy RA záření

• Radiačně indukovaná TL a OSL: Metoda využívající „kumulativní“ projevy RA záření

• U materiálů, které na počátku svého osudu prošly tepelným zpracováním při vysokých T (vypalovaná keramika, cihly), byly v tom okamžiku uvolněny všechny e- zachycené v metastabilních polohách v záchytných centrech. Prázdná centra jsou poté obsazována e- v důsledku dávky od přírodních radionuklidů v materiálu a okolí (rozpadové řady a 40K), případně z kosmického záření.

The event dated, whether in thermoluminescence dating or in optical dating, is the setting to zero, or near zero, of the latent luminescence acquired at some time in the past. With sediment this zeroing occurs through exposure to daylight (‘bleaching’) during erosion, transport, and deposition, whereas with fired materials, it is through heating.

• The event dated, whether in thermoluminescence dating or in optical dating, is the setting to zero, or near zero, of the latent luminescence acquired at some time in the past. With sediment this zeroing occurs through exposure to daylight (‘bleaching’) during erosion, transport, and deposition, whereas with fired materials, it is through heating.

• Subsequently the latent signal builds up again through exposure to the weak natural flux of nuclear radiation. For OSL the dating signal is obtained by exposure of the grains from the sample to a beam of light; for TL it is obtained by heating.

Dávka, kterou materiál obdržel a my ji můžeme změřit pomocí termoluminiscenční odezvy, je úměrná stáří předmětu od jeho vypálení.

• Dávka, kterou materiál obdržel a my ji můžeme změřit pomocí termoluminiscenční odezvy, je úměrná stáří předmětu od jeho vypálení.

• Nejobvyklejší minerál v keramice a cihlách vykazující termoluminiscenci: křemen.

Existuje i alternativa k TL a OSL - elektronová spinová rezonance (ESR), nebo se používá název Electron paramagnetic resonance (EPR)

• Existuje i alternativa k TL a OSL - elektronová spinová rezonance (ESR), nebo se používá název Electron paramagnetic resonance (EPR)

• jsou buzeny přechody mezi různými spinovými stavy nespárovaných elektronů
• je to vlastně NMR „na elektronech“

Lze datovat výbuchy blízkých supernov?

• Lze datovat výbuchy blízkých supernov?

• Proč vymřeli mamuti před 12 tisíci lety v severní Americe?

THE END

• THE END

There have been about 170 of these reversals during the last 76 million years according to geological evidence. The time between reversals seems to be growing longer, and is currently about 300,000 years or so. The last one of these happened about 770,000 years ago (0.77 on the graph). We are currently living during a period that has been called the Brunhes Magnetic Chron when the South Magnetic Pole is in the Northern Hemisphere. During the previous Matumaya Magnetic Chron, the North Magnetic Pole was in the Northern Hemisphere! Note that, from the polarity figure, at a time 0.94 million years ago (940,000 years ago) the magnetic field reverse itself by going nearly to 'zero' but then after a few thousand years it recovered and began to increase in strength. During the next 150,000 years it rose to a maximum strength and then began to decline. Notice, also, how fast the magnetic field recovers after it reaches 'zero', in some cases much less than 10,000 years.

• There have been about 170 of these reversals during the last 76 million years according to geological evidence. The time between reversals seems to be growing longer, and is currently about 300,000 years or so. The last one of these happened about 770,000 years ago (0.77 on the graph). We are currently living during a period that has been called the Brunhes Magnetic Chron when the South Magnetic Pole is in the Northern Hemisphere. During the previous Matumaya Magnetic Chron, the North Magnetic Pole was in the Northern Hemisphere! Note that, from the polarity figure, at a time 0.94 million years ago (940,000 years ago) the magnetic field reverse itself by going nearly to 'zero' but then after a few thousand years it recovered and began to increase in strength. During the next 150,000 years it rose to a maximum strength and then began to decline. Notice, also, how fast the magnetic field recovers after it reaches 'zero', in some cases much less than 10,000 years.

• Presently, Earth's magnetic field is weakening in strength by 5% every 100 years. It may be near zero in another few thousand years at this rate!

New research from MIT shows that the Earth’s geomagnetic field intensity is double the long-term historical average, indicating that the current field intensity has a long way to fall before reaching an unstable level that would lead to a reversal.

• New research from MIT shows that the Earth’s geomagnetic field intensity is double the long-term historical average, indicating that the current field intensity has a long way to fall before reaching an unstable level that would lead to a reversal.

• 1. halflife T1/2has been changed

• T1/2= 5730 ±40 yr; originally 5568 yr has been used

• 2. the 14C content in de nature is not constant

• 1. 14C production depends on cosmic ray flux, which depends on

• solar activity and earth magnetic field strength

• 2. changes in equilibrium between the C reservoirs

• atmosphere, biosphere, ocean, soil

• 3. isotope effects change the 14C content

• example:photosynthesisis mass dependent -plant is depleted

• in 14C (and therefore seems older)

• 4. reservoir effects

• water (sea, river) contains dissolved fossil C and is thus depleted in 14C -organisms living in water are therefore older14Cclock problems

• consequence:

• ��the 14C clock ticksat a different pace thanthe calendar

• (because of halflife)

• ��this pace changes continuously

• (because of changing natural 14C content)

• ��the 14C clock starts at different moments for different

• materials

• (because of isotope -en reservoir-effects)

• solution:

• ��define the 14C clock speed
• w.r.t. standard activity = 1950
• use T1/2= 5568 jr (original)
• ��correct for isotope effects
• using stable isotope 13C: 14δ= 213δ
• ��express in unit “BP”
• ��calibrate the 14C clock
• measure 14C in absolutely dated

• materials (BP -AD/BC)

4/ Záznam měření na palubě letadla letícího z Prahy do New Yorku v průběhu sluneční erupce, dne 15. 4. 2001. V jejím důsledku došlo ke zvýšení obvyklého ozáření o 20 µSv, tj. o 45 %.

• 4/ Záznam měření na palubě letadla letícího z Prahy do New Yorku v průběhu sluneční erupce, dne 15. 4. 2001. V jejím důsledku došlo ke zvýšení obvyklého ozáření o 20 µSv, tj. o 45 %.

Laser detection of rare isotopes on the basis of multistep collinear ionisation

• Laser detection of rare isotopes on the basis of multistep collinear ionisation

Využití termoluminiscence pro datování: U materiálů, které na počátku svého osudu prošly tepelným zpracováním při vysokých teplotách (vypalovaná keramika, cihly), byly v tom okamžiku uvolněny všechny elektrony zachycené v metastabilních polohách v záchytných centrech. Prázdná centra jsou nadále obsazována elektrony v důsledku dávky od přírodních radionuklidů v samotném materiálu i jeho okolí (především radionuklidy přírodních přeměnových řad a 40K), případně též z kosmického záření. Odtud: dávka, kterou materiál obdržel a my ji můžeme změřit pomocí termoluminiscenční odezvy, je úměrná stáří T předmětu od jeho vypálení. Příslušný vztah pro stáří:

• Využití termoluminiscence pro datování: U materiálů, které na počátku svého osudu prošly tepelným zpracováním při vysokých teplotách (vypalovaná keramika, cihly), byly v tom okamžiku uvolněny všechny elektrony zachycené v metastabilních polohách v záchytných centrech. Prázdná centra jsou nadále obsazována elektrony v důsledku dávky od přírodních radionuklidů v samotném materiálu i jeho okolí (především radionuklidy přírodních přeměnových řad a 40K), případně též z kosmického záření. Odtud: dávka, kterou materiál obdržel a my ji můžeme změřit pomocí termoluminiscenční odezvy, je úměrná stáří T předmětu od jeho vypálení. Příslušný vztah pro stáří:

• T = ,

• Rnat - termoluminiscenční odezva daného vzorku materiálu (tzv. přírodní termoluminiscence, vyvolaná přírodním zářením za dobu, kterou chceme stanovit), S - termoluminiscenční citlivost daného materiálu (tj. odezva na jednotkovou dávku), dávkový příkon působící na vzorek po dobu jeho ``života'' (dávka za jednotku času, zpravidla za jeden rok). Nejobvyklejší minerál v keramice a cihlách vykazující termoluminiscenci: křemen.