Datování vzorků pomocí metod jaderné fyziky

Prezentace na téma: "Datování vzorků pomocí metod jaderné fyziky"— Transkript prezentace:

1 Datování vzorků pomocí metod jaderné fyziky

2 Datování (1) Založeno na rozpadovém zákonu V případě pouze 2 izotopů
V případě celé řady izotopů - řešení soustavy

3 Datování (2) Radioactive Isotope (Parent) Product (Daughter) Half-Life
(Years) Samarium-147 Neodymium-143 106 billion Rubidium-87 Strontium-87 48.8 billion Rhenium-187 Osmium-187 42 billion Lutetium-176 Hafnium-176 38 billion Thorium-232 Lead-208 14 billion Uranium-238 Lead-206 4.5 billion Potassium-40 Argon-40 1.26 billion Uranium-235 Lead-207 0.7 billion Beryllium-10 Boron-10 1.52 million Chlorine-36 Argon-36 300,000 Carbon-14 Nitrogen-14 5715 Uranium-234 Thorium-230 248,000 Radium-226 75,400 Types of radiometric dating: argon-argon (Ar-Ar) fission track dating helium (He-He) iodine-xenon (I-Xe) lanthanum-barium (La-Ba) lead-lead (Pb-Pb) lutetium-hafnium (Lu-Hf) neon-neon (Ne-Ne) termoluminscence/optically stimulated luminescence dating potassium-argon (K-Ar) radiocarbon dating rhenium-osmium (Re-Os) rubidium-strontium (Rb-Sr) samarium-neodymium (Sm-Nd) uranium-lead (U-Pb) uranium-lead-helium (U-Pb-He) uranium-thorium (U-Th) uranium-uranium (U-U) (wikipedia) Some Naturally Occurring Radioactive Isotopes and their half-lives

4 Metody gelogického datování
Metody datování Metody gelogického datování draslíko-argonová rubidium-stronciová uran-thoriová Radiouhlíková Termoluminiscenční a opticky stimulovaná luminiscence Dráhy štěpných trosek

5 Poměr některých izotopů

6 Draslíko-argonová metoda (1)
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 ( %), 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.

7 Draslíko-argonová metoda (2)
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 – ukazuje se, že jsou problémy (

8 Argon-argonová metoda
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 known 39K(n,p)39Ar. (… but also amount of 40Ar should be affected by this reaction)

9 Rubidium-stronciová metoda (1)
Není problém určit stáří, jestliže množství dceřinného izotopu v době vzniku je nulové (nebo se ví, jak komplenzovat) Žádný mateřský, ani dceřinný izotop vnikl do/unikl ze vzorku od vzniku vzorku Jinak je problém -> metoda izochron Datování velmi starých hornin Předpoklad: N(86Sr(t=0)) = N(86Sr(t)) (t)

10 Metoda izochron (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

11 Příklady Metoda izochron aplikovaná na jiný prvek – Pb (stáří sluneční soustavy)

12 Příklady – Pb-Pb metoda
204Pb nevzniká v žádné rozpadové řadě, zatímco 206Pb a 207Pb ano P – present I – initial Pro „izolovaný“ systém lze vydělením dostat:        Dnešní poměr 238U/235U Většinou je U-Pb metoda lepší (vynáší se poměr 206Pb/238U a 207Pb/235U), ale Pb-Pb metoda vhodná např. k určení stáří sluneční soustavy

13 Uran-thoriová metoda U je částečně rozpustný ve vodě -> všechny materiály vzniklé z vody obsahují stopy U ( hmotnostních). Th naopak není rozpustné za „rozumných“ podmínek blízko povrchu (lze stanovit stáří např. krápníků) Rovnováha mezi 238U a 234U nastolena asi po 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 let, pak už nastolena rovnováha mezi Th a U (dáno dobou života Th) Sestimocny uran je rozpustny, ctyrmocny ne. Pokud je pristup kysliku, tak asi hodne sestimocny.

14 Rozpadová řada

15 Dráhy štěpných fragmentů
238U se v malém procentu případů může rozpadat ne emisí a částice, ale samovolným štěpením ( = 6.9x10-17/y) Štěpné trosky zanechávají v materiálu stopy o délce řádově 10 mm Tyto stopy lze pomocí vhodných chemických reagentů dostat na povrch vzorku a pozorovat pod mikroskopem Kalibrace pomocí ozáření v reaktoru Je to „kumulativní“ metoda

16 Radiokarbonová metoda (1)
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 ± C/cm2s) 14C/ 12C = 1.2 x 10-12

17 Radiokarbonová metoda (2)
Po odumření rostliny či živočicha: zastaví se přísun nového 14C do organismu, původní rovnovážná koncentrace se poruší radioaktivní přeměnou 14C Měří se poměr ze „současných“ vzorků U dna oceánů je koncentrace nižší

18 Příklady Radiocarbon ages for different constituents extracted from a rhinoceros (nosorožec) bone. The older ages obtained for the proline and hydroxyproline, which are amino acids generally specific to bone, suggest intrusive contamination in the other constituents. Open symbols indicate AMS measurement and closed symbols conventional beta decay counting. 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. Rhinoceros = nosorožec

19 Radiokarbonová metoda (3)
Nejdůležitější problémy metody: Obtížná detekce obsahu 14C - jedná se o velmi nízké aktivity zářiče nízkou Ebmax (=156 keV) a tedy špatně měřitelným zářením. 1% příměs dnešního C dává pro let starý vzorek chybu 4000 let a pro nekonečně starý vzorek dává let žádné g 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 „hmotnostně“ závislá – 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. V dobe ledove byla napr. vyssi hladina oceanu a C nemohl tolik migrovat.

20 Dendrochronology

21 Radiokarbonová metoda – kalibrace (1)
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. medium-& short term effects: solaractivity & exchange ocean/atmosphere constant long term trend (thousands of years) : geomagnetism Kalibrace pro vzorky starší než asi 28 tisíc let je v podstatě nemožná, neb existují různé „kalibrace“…

22 Radiokarbonová metoda – kalibrace (2)
The figure shows the relative 14C / 12C ratio in the atmospheric CO2 as a function of time in the second half of the 20th century. Způsobeno jadernými výbuchy v atmosféře 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

23 Radiokarbonová metoda – kalibrace (3)
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. Problém, když funkce není monotonní Na druhou stranu se třeba u stromů dá využít pozorované sekvence pro určení stáří

24 Magnetické pole Země (1)
Generováno pohyby v zemském jádře – pozorují se změny ve směru a intenzitě (i přepólování) určeno pomocí magnetizace vzorků Magnetic pole (VGP) latitudes (on the right) that were obtained from sediment at the Atapuerca, Spain. The VGP latitude refers to the virtual geographic pole representing the hypothetical dipole at the centre of the Earth that would give the observed angle of dip at the site. An extract from the polarity timescale is shown on the left, with blackened segments indicating normal polarity; four subchrons are indicated during the Matuyama chron but were not recorded in the sediment of the site, possibly because the sampling interval was too short. There are also subchrons (reversed) during the Brunhes chron.

25 Magnetické pole Země (2)
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.

26 Jak měřit podíl 14C? Měří se přímo aktivita (spálí se kousek vzorku a plynný vzorek v proporcionálním počítači) – 14C se rozpadá pomocí b-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 ( mg), ale drahé vybavení problém s příměsemi (14N) ale v zásadě řešitelné ( 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 wB (laditelným laserem) a měřím tu samou frekvenci v jiném směru dají se odhalit příměsi asi do to ale, bohužel, nestačí

27 Jak měřit podíl 14C? radiometry mass spectrometry
standard activity: 226 ±1Bq/kgC detection limit: 14C/C =10–15 E(β-) is very low (156 keV)  difficult detection concentration is extremely low 12C:13C:14C = 1:0.01:10-12(15) radiometry vs. AMS 5‰ precision = counts ⇒ √N/N = 0.005 AMS: atom counting efficiency: 10-2 ⇒ atoms 14C needed for 5‰ precission if abundance ⇒ C atoms = g typically 1 mg sample for 1hour counting time ( Hz 14C) if abundance ⇒ cca 40 s radiometry: dN/dt = -λN decay counting t = 48hrs, 1gC (1mgC would take 7y counting time)

28 Jak měřit podíl vzácných izotopů?
fluorescence photo-ionisation deflection Ozáření atomu laserem Netýká se jen C, ale i jiných izotopů Example: absorption lines of 235U and 238U differ slightly due to hyperfine structure (238U absorbs at nm, 235U at ). Tunable dye lasers can be tuned, so only 235U absorbs photons and selectively undergoes excitation and then photoionization. Ions are then electrostatically deflected to a collector, while the neutral 238U passes through.

29 Izotopický posun Dají se odhalit příměsi asi do 10-6 – to nestačí
Fluerescence detection Excitation detection Problém je i konečná šířka hladin (jejich překryv v různých izotopech) Dají se odhalit příměsi asi do 10-6 – to nestačí Musejí se použít vícestupňové metody – kaskády se obtížně hledají (ale v některých případech existují) Existuje řešení – urychlíme atomy urychlovačem – díky různé hmotnosti jsou různé rychlosti a energie hladin budou Dopplerovsky posunuté Dw/w = b – to závisí na hmotnosti – mohu posvítit laserem a měřit příměs atomů (rozdíl je větší)

30 Příklad – turínské plátno
                                                                           COPYRIGHT 1931 GIUSEPPE ENRIE

31 Příklad – turínské plátno
The Shroud of Turin. Calibration of the radiocarbon age of 691 +/-31 years as derived from measurements by three AMS laboratories on linen threads. After allowance for a small uncertainty in the calibration curve the calendar date span corresponding to the 68% level of confidence is AD 1275–1290; corresponding to the 95% level of confidence there are two possible spans: AD 1260–1310 and AD 1355–1385. Provedeno nezávisle třemi laboratořemi Objevily se spekulace o požáru poblíž plátna Studies in 1978 seemed to suggest that the Shroud might be the real thing. But ten years later, 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, much older.

32 Přesnost / citlivost 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.

33 Termoluminscence a opticky stimulovaná luminiscence
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. Vazbová energie metastabilních center musí být dostatečně velká, aby e- zůstaly zachyceny (asi E > 1.6 eV)

34 Ukládání 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.

35 TL a OSL 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. TL glow-curve observed from a small sample taken from an Etruscan terracotta statue. Curve (a) shows the light emission observed during the first heating, and curve (b) the light observed during a second heating. The latter is the red-hot glow, or incandescence, that occurs whenever a sample is heated, but during the first heating there is substantial TL in addition.

36 Termoluminiscenční vyhřívací křivka křemene.
TL Měřitelné stáří závisí na TL citlivosti materiálu a obsahu přírodních radionuklidů - běžně let. Dolní mez je dána citlivostí měřící aparatury, horní nasycováním křivky odezvy. Chyba stanovení stáří: v optimálním případě kolem 3%. Hlavní problémy: a) chyba stanovení dávkového příkonu ve zkoumaném materiálu. b) spontánní vyprazdňování záchytných center při pokojové teplotě (tzv. fading) vyžaduje používat pro datování centra vyprazdňovaná až při vysokých teplotách cca nad 350  oC. Při takových teplotách již nastávají problémy s teplotním svícením materiálu, které tvoří postupně s teplotou rostoucí pozadí pro měřený efekt. c) náročná příprava a zpracování vzorků pro TL měření. d) Nestejná citlivost materiálu vykazujícího TL na různé druhy záření, zejména odlišná citlivost na záření a od citlivosti na záření vyžadující složitou a časově náročnou kalibraci odezvy uměle aplikovanými dávkami ionizujícího záření. Termoluminiscenční vyhřívací křivka křemene.

37 OSL The basic experimental arrangement for measurement of OSL. In order to prevent scattered laser light from swamping the weak wanted signal from the sample it is necessary to insert, in front of the photomultiplier, colour filters that give severe rejection of green light but which pass blue, violet, and near-UV wavelengths. Nowadays measurement facilities are automated.The signal from the photomultiplier anode decays rapidly from the moment of laser switch-on because of depletion the trapped electrons; with typical intensity of the laser beam the signal decreases by a factor of two in about 10 s.

38 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“

39 Zajímavosti Lze datovat výbuchy blízkých supernov?
Proč vymřeli mamuti před 12 tisíci lety v severní Americe?

40 THE END

41 14Cclock problems 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

42 􀂋the 14C clock ticksat a different pace thanthe calendar
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)

43

44 4/ Záznam měření na palubě letadla letícího z Prahy do New Yorku v průběhu sluneční erupce, dne V jejím důsledku došlo ke zvýšení obvyklého ozáření o 20 µSv, tj. o 45 %.

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

46 Termoluminscence a opticky stimulovaná luminiscence
Obrázek 3: Pásový energetický diagram pevné látky s vyznačenými přechody odpovídajícími za termoluminiscenci. 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.