Stan Olimpia Maria

Master GPM, anul I

1

Noţiuni generale: radioactivitatea şi

datarea radiometrică

Numeroasele metode de datare radiometrică utilizate în prezent (pe bază de

radiocarbon, potasiu-argon, seriile uraniului, termoluminiscenţă, izotopii cesiului şi

plumbului etc.) se bazează pe procesul de radioactivitate/dezintegrare radioactivă,

explicat pe scurt prin instabilitatea anumitor elemente chimice din natură (izotopii

radioactivi), care suferă transformări (emisii de particule şi radiaţie), spontane sau mai

lente, pentru a obţine structuri atomice mai stabile (izotopi stabili). Acest proces se

desfăşoară în strânsă legătură cu timpul, care determină durata de înjumătăţire a

radionuclizilor, constantă ce depinde în întregime de proprietăţile nucleului unui

anumit element chimic şi care nu este afectată (în general) de factori externi precum

temperatură, presiune, mediu chimic, prezenţa unui câmp magnetic sau electric.

În consecinţă, în orice matrice ce conţine radionuclizi (organică sau

anorganică), proporţia dintre nuclizii originari şi produşii lor de dezintegrare se

schimbă într-un mod predictibil de-a lungul unei anumite perioade de timp. Această

predictibilitate permite ca aceşti relativ numeroşi nuclizi înrudiţi să fie folosiţi ca un

ceas care măsoară timpul scurs de la încorporarea nuclizilor originari într-o matrice şi

până în prezent (la momentul efectuării analizelor de laborator).

Potasiul (K) - este elementul chimic din seria metalelor alcaline cu numărul

atomic 19 şi masa atomică de 39, 0983 (Grupa IA, Perioada 4).

A fost izolat pentru prima oară din

potasă (carbonatul de potasiu, obţinut

din cenuşa de plante), are culoare alb-

argintie, este maleabil şi ductil şi se

oxidează uşor în aer. Reacţionează

violent cu apa, generând suficientă

căldură pentru a aprinde hidrogenul

gazos eliberat şi poate reacţiona şi cu

gheaţa, pâna la temperatura de -100°C.

Fig. 1: Perle de potasiu sub parafină

2

În natură este întâlnit numai sub formă de sare ionică, este prezent în

concentraţie semnificativă, în stare dizolvată, în apa de mare şi de asemenea este

întâlnit, sub forma diverşilor compuşi, ca şi constituent al unor minerale. Ionul de

potasiu, prezent în ţesuturile vegetale şi animale, este un oligoelement indispensabil în

metabolismul celulelor vii. Potasiul are un procentaj de 1,5% din greutatea scoarţei

terestre şi este al şaptelea element ca răspândire pe planetă. Are 24 de izotopi

cunoscuți, dintre care trei sunt întâlniți în natură în următoarele proporții: 39K (93,3%) 40K (0,0117%) şi 41K (6,7%). Izotopul 40K se dezintegrează în izotopul stabil 40Ar

(11,2% din dezintegrări) prin captură electronică sau emisie de pozitroni, sau se

descompune în 40Ca (88,8% din dezintegrări) prin dezintegrare beta-; 40K are un timp

de înjumătățire de 1.250×109 ani.

Argonul (Ar) - este cel mai des întâlnit gaz nobil de pe Pământ (deşi este mai

comun decât dioxidul de carbon, reprezintă doar 0,93% din atmosfera terestră).

Aproape în întregime acest argon este reprezentat de radioizotopul 40Ar rezultat din

dezintegrarea izotopului 40K prin captură de electroni sau emisie de pozitroni.

Argonul are numărul atomic 18 şi masa atomică de 39, 948 (Grupa VIIIA,

Perioada 3), iar numele său provine din grecescul αργον care înseamnă „cel

leneş”/”cel inactiv”, cu referire la faptul că elementul nu produce aproape nici o

reacţie chimică (datorită structurii complete de octet de pe ultimul strat electronic care

îl face stabil şi rezistent la interacţiunea cu celelalte elemente chimice). Argonul este

incolor, inodor şi nontoxic ca solid, lichid sau gaz; este inert în majoritatea condiţiilor

de mediu şi nu formează compuşi stabili la temperatură obişnuită.

Principalii izotopi ai argonului sunt 40Ar (99,6%), 36Ar (0,34 %) și 38Ar (0,06%), dintre care cel mai

comun în Univers este 36Ar produs

în supernove prin nucleosinteză (şi

vântul solar conţine 36Ar în

proporţie de 84,6%), şi cel mai

comun pe Terra este 40Ar (format

din dezintegrarea lui 40K din roci).

Fig.2: În câmp electric Ar emană o lumină violet

3

Metodele de datare 40K/40Ar şi 40Ar/39Ar

Dezintegrarea izotopului 40K în 40Ar activează o metodă folosită în datarea

rocilor - Metoda convențională de datare prin potasiu si argon, care este utilizată în

cronologia geologică şi arheologică şi care se bazează pe măsurarea izotopilor de 40Ar acumulaţi şi a celor de 40K rămaşi într-o rocă vulcanică, de la recristalizarea

magmei şi până în momentul realizării analizei, dat fiind faptul că perioada de

înjumătăţire a izotopului de potasiu este de aproximativ 1,25 miliarde de ani.

Rocile de origine vulcanică conţin în mod natural destul de mult potasiu (din

care o mică dar constantă parte este radioactivă şi se descompune lent într-o formă

stabilă de gaz nobil, argonul ), dar din cauza temperaturilor foarte mari la care ajung

la suprafaţă nu pot reţine şi argonul (care se dispersează şi apoi se evaporă din magma

topită). De aceea acest element găsit în rocile magmatice nu poate proveni decât din

dezintegrarea radioizotopului potasiului, începând să se acumuleze abia după

recristalizarea magmei.

În laborator, concentraţia de 40Ar dintr-o probă de rocă poate fi determinată

prin încălzirea acesteia până la punctul de topire, eliberându-se astfel gazul nobil care

este apoi măsurat cu ajutorul unui spectrometru de masă. O a doua probă (din aceeaşi

rocă) este folosită pentru a determina concentraţia de 40K rămasă, utilizând un

spectrofotometru de absorbţie atomică sau un fotometru de emisie atomică în flacără

sau plasmă. Raportul dintre 40K şi radionuclidul 40Ar ne oferă apoi indicaţii asupra

timpului care s-a scurs de la producerea evenimentului vulcanic, timp care poate fi

aflat din următoarea ecuaţie:

, unde

t este timpul care s-a scurs;

t1/2 este durata de înjumătăţire a 40K;

Kf este cantitatea de 40K rămasă în probă;

Arf este cantitatea de 40Ar găsită în probă, iar factorul de scalare 0.109 este

introdus pentru a corecta cantitatea de 40K care s-a dezintegrat în 40Ca şi care

nu a fost măsurată.

4

Suma dintre cantitatea de 40K măsurat şi cea scalată 40Ar ne oferă totalul de 40K care a fost prezent la începutul perioadei de timp măsurate.

Mineralele sunt datate deci prin măsurarea concentrației de potasiu și de argon

radiogenic acumulat, cele mai potrivite pentru datare fiind cele care includ biotitul,

muscovitul, hornblenda plutonică/metamorfică de grad înalt și feldsparul vulcanic.

Mostre întregi de roci din curgerile vulcanice și intruziuni pot fi de asemenea datate

dacă sunt nealterate şi, mai mult decât atât, pot fi datate cu ajutorul metodei

stratigrafice şi eventualele fosile care se găsesc într-un strat de sedimente situat

deasupra sau dedesubtul unui strat vulcanic. De exemplu, la începutul anilor 1960,

metoda de datare K-Ar a fost principala tehnică folosită în paleoantropologie care a

dezvăluit vechimea foarte mare a rămăşiţelor primilor hominizi (aprox. 1,9 milioane

de ani) din Estul Africii (Cheile Olduvai).

Datorită perioadei de înjumătăţire foarte îndelungate a 40K (1250 mil. ani), este

posibilă datarea unora dintre cele mai „bătrâne” roci de pe Pământ, însă pentru

Cuaternar (început acum aprox. 2,6 mil. ani) datarea 40K/40Ar se poate aplica doar în

cazul rocilor vulcanice mai vechi de circa 100.000 de ani, din cauza lipsei de precizie

pentru perioade mai recente de atât (erori de până la ±100%!). O variantă a metodei,

dezvoltată în anii ’60-’70, implică măsurarea raportului dintre doi izotopi ai

argonului, 40Ar şi 39Ar, cel de-al doilea fiind obţinut în laborator prin iradierea probei

cu neutroni.

Această metodă, numită Datare Argon-Argon, are o importanţă foarte mare

datorită nivelului înalt de precizie analitică pentru perioade mai recente, chiar de la

10.000 de ani î.e.n. şi mai târziu. În cazul acestei metode, analizele se fac pe o singură

probă de rocă: concentraţia de 40Ar se măsoară direct prin tehnica ilustrată mai sus în

datarea 40K/40Ar, însă concentraţia de 40K este dedusă indirect cu ajutorul proporţiei

cunoscute dintre izotopii de potasiu şi cei de argon. Mostre din rocă sunt plasate într-

un reactor nuclear şi sunt iradiate, ceea ce duce la transformarea unei părţi din izotopii

stabili de 39K într-o altă formă de argon, 39Ar. Întrucât cantitatea de 39Ar este

proporţională cu cea a izotopului stabil 39K şi aceasta este, la rândul său, proporţională

cu cea a izotopului 40K, se poate afla cantitatea acestuia din urmă cu ajutorul

raportului 40K/39K ( 0.0117% / 93.2581% ).

5

În cele din urmă, este însă extrem de important ca următoarele ipoteze

asumate să fie adevărate pentru ca datele obţinute prin cele două metode de datare

înrudite să fie acceptate ca fiind reale:

Nuclidul-părinte, 40K, are o rată de dezintegrare care este independentă de

starea lui fizică şi nu este afectată de diferenţele de presiune sau temperatură;

această ipoteză este esenţială pentru toate metodele de datare bazate pe

dezintegrarea radioactivă;

Raportul 40K/39K în natură este mereu constant, astfel că rareori 40K este

măsurat direct, ci se consideră că el reprezintă 0,0117% din cantitatea totală de

potasiu de pe Terra;

Argonul radiogenic măsurat într-o probă a fost produs in situ prin

dezintegrarea potasiului în intervalul de timp de când roca s-a cristalizat sau

recristalizat; abaterile de la această ipoteză sunt însă des întâlnite, ca de

exemplu: roci bazaltice care nu au eliberat în totalitate 40Ar preexistent topirii

sau contaminarea fizică a magmei prin incluziunea de material xenolitic mai

vechi;

Atenţia deosebită pentru evitarea contaminării probelor prin absorbţie de 40Ar

nonradiogenic din atmosferă; ecuaţia de mai sus poate fi corectată prin

scăderea din valoarea de 40Ar măsurată, a cantităţii de argon prezente în aer

(presupune măsurarea în prealabil a 36Ar), ştiind că 40Ar este de 295,5 ori mai

abundent decât 36Ar;

Proba trebuie să fi rămas într-un sistem închis de la evenimentul vulcanic, deci

nu trebuie să fi existat pierderi sau creşteri de 40K sau 40Ar-în afară de cel

provenit din dezintegrarea radioactivă; aceasta este o ipoteză uneori combătută

în cazul zonelor cu o istorie geologică complexă.

6

Aplicaţii ale metodei de datare 40K/40Ar

În primul rând, am amintit şi mai devreme faptul că, datorită perioadei de

înjumătăţire foarte îndelungate, aceasta tehnică este recomandabil a fi aplicabilă doar

pentru datarea rocilor şi mineralelor mai vechi de 100,000 de ani. Pentru perioade mai

apropiate de noi, este foarte probabil că nu s-a acumulat suficient Argon 40 care să

poată fi măsurat cu acurateţe.

Din a doua jumătate a sec. XX şi până în prezent, principalele contribuţii ale

ambelor metode de datare înrudite, Potasiu-Argon şi Argon-Argon, au fost în: datarea

materialelor vulcanice asociate cu rămăşiţele hominide timpurii (în special din

Africa); dezvoltarea cronologiilor perioadelor glaciare, prin datarea de tephras

intercalate cu depozite glaciale (precum cele din Yukon şi Patagonia); datarea

evenimentelor vulcanice, precum super-erupţia vulcanului Toba din Sumatra acum

aprox. 74.000 de ani; furnizarea unei cronologii pentru paleomagnetismul terestru etc.

Cheile Olduvai (Tanzania), sit arheologic cunoscut şi sub numele de

„Leagănul omenirii”, este o râpă abruptă din Valea Marelui Rift care se întinde de-a

lungul Africii de Est. Acesta este însă unul dintre cele mai importante situri

preistorice din lume, având o contribuţie esenţială la înţelegerea evoluţiei speciei

umane, contribuţie care nu ar fi fost posibilă fără ajutorul venit din partea ştiinţei.

Fig.3: Cheile Olduvai, Tanzania (Wikipedia)

Pe baza datărilor realizate pe fosilele descoperite aici de-a lungul timpului, s-a putut

stabili faptul că situl a fost ocupat, rând pe rând, de mai multe specii de hominizi:

homo habilis acum 1,9 mil. de ani; paranthropus boisei acum 1,8 mil. de ani; homo

erectus acum 1,2 mil. de ani şi chiar homo sapiens acum 17,000 de ani.

7

Metoda de datare Potasiu-Argon s-a dovedit indispensabilă şi pe alte situri

africane cu o istorie de vulcanism precum Hadar (Etiopia), unde a fost descoperite în

1974 rămăşiţele celebrei Lucy, un specimen fosilizat de australopithecus afarensis în

vârstă de 3 mil. de ani.

O contribuţie foarte importantă şi relativ recentă a metodei de datare are

legătură cu răspândirea speciilor hominide din Africa pe restul continentelor.

Descoperirile de fosile umane din Republica Georgia şi din insula Java şi datarea lor a

deplasat înapoi în timp cu o jumătate de milion de ani momentul răspândirii

oamenilor în afara Africii. Siturile datate, combinate cu dovezi din China şi Valea

Iordanului (Fig. 4), sugerează faptul că homo ergaster/ habilis a migrat din Africa

spre nord şi spre est acum 1, 5 milioane de ani, migraţie ce a precedat probabil chiar

cu 1 milion de ani răspândirea hominizilor în Europa.

Fig.4: Georgia, Java şi alte câteva puncte-cheie pentru răspândirea hominizilor în Eurasia

(după Walker, 2005)

8

Fig.5: Tabel cu cele mai importante metode de datare bazate pe dezintegrarea radioactivă şi raza lor

de acţiune (după Artioli, 2010).

9

Anexă: Noţiuni de bază despre radioactivitate şi radiaţii

De la descoperirea radioactivităţii în anul 1896 de către H. Becquerel (studiind

sărurile de uraniu), şi până în prezent, au fost descoperiţi peste 1200 de radionuclizi.

Radioactivitatea se defineşte ca fiind proprietatea nucleelor (unor nuclizi) de a emite

spontan particule α, β± sau de a suferi o captură electronică sau dezintegrare γ.

Radiaţiile radioactive nu sunt omogene, astfel că dacă radiaţiile emise de o sursă

radioactivă sunt trecute printr-un câmp magnetic, ele sunt deviate diferit.

Substanţele radioactive emană trei tipuri de radiaţii: α, β şi γ . Radiaţiile α sunt

deviate în câmp electric şi magnetic într-o mai mică măsură faţă de radiaţiile β.

Radiaţiile γ nu sunt deviate în câmp electric sau magnetic, ceea ce dovedeşte că nu au

sarcini electrice.

Radiaţiile α sunt nuclee de heliu încărcate pozitiv, deplasându-se cu viteze

foarte mari, care străbat pereţii subţiri ai unui vas metalic, acumulându-se în acesta

sub formă de heliu:

Aceste radiaţii sunt emise de nuclee, cu viteze de 1,4 – 2,0⋅10 la 7 m/s şi au energii

cuprinse între 2 şi 9 MeV. Din punct de vedere spectral, radiaţiile α sunt

monoenergetice.

Radiaţiile β sunt formate din electroni care se deplasează cu viteze foarte mari

(de 20 de ori mai mari decât viteza radiaţiilor α şi până la 99% din viteza luminii). De

aceea, radiaţiile β au putere de pătrundere mai mare decât radiaţiile α. Există două

tipuri de radiaţii β, radiaţiile β- şi radiaţiile β+. Radiaţiile β- sunt constituite din

fluxuri de electroni, în timp ce radiaţiile β+ sunt formate din pozitroni. Aceste

particule sunt emise de atomi cu viteze variabile ce ating maximum 108 m/s.

Spre deosebire de radiaţiile α, ambele tipuri de radiaţii β prezintă un spectru

energetic continuu, cu o distribuţie de tip Poisson, limita superioară fiind o

caracteristică a radionuclidului, iar energia medie fiind de aproximativ 1/3 din

valoarea energiei maxime. Radiaţiile β au energii cuprinse între 0,016 si 16 MeV.

10

Radiaţiile γ sunt radiaţii de natura electromagnetică şi rezultă la trecerea unui

nucleu atomic dintr-o stare excitată într-o stare energetic mai stabilă, cu o viteză egală

cu viteza luminii, caracterizate prin lungimi de undă foarte scurte, cuprinse între

0,0018 şi 6,35⋅10 la -10 m şi au o putere de pătrundere foarte mare. Emisia de radiaţii

γ este asociată, în marea majoritate a cazurilor, unor emisii de radiaţii α sau β.

În sfera radiaţiilor nucleare mai sunt cuprinse şi radiaţii electromagnetice (X,

radiaţii de frânare Bremsstrablung), radiaţii corpusculare (fascicule de particule

elementare: e- , e+, p+, n; fascicule formate din nuclee atomice: 2H+, 3H+, 4He2+;

fascicule de atomi ionizaţi: He+, Li+, Na+, etc.).

Procesele de capturã electronicã constau în absorbţia unui electron din

straturile interioare (K) în nucleele ce conţin excedent de protoni şi transformarea

acestora în neutroni, cu emisia unui neutrino:

In cazul conversiei interne, un nucleu aflat în stare excitată poate elimina excesul

energetic prin transferul unui electron de pe straturile interioare, acesta fiind expulzat

din atom. Electronii rezultaţi sunt monoenergetici, posedand diferenţa dintre energia

tranziţiei de dezexcitare nucleară şi energia de legătură.

Exemple de radioizotopi:

11

Bibliografie

http://en.wikipedia.org/wiki/K%E2%80%93Ar_dating ;

http://en.wikipedia.org/wiki/Potassium ;

http://en.wikipedia.org/wiki/Argon ;

„Quaternary Dating Methods”, Mike Walker (Department of

Archaeology and Anthropology, University of Wales, Lampeter, UK), 2005;

„Scientific Methods and Cultural Heritage. An introduction to the

application of materials science to archaeometry and conservation science”,

Gilberto Artioli (Università degli Studi di Padova), 2010;

„K/Ar and 40K/39K methodology”,

New Mexico Geochronology Research Laboratory,

http://www.ees.nmt.edu/outside/Geol/labs/Argon_Lab/Methods/Methods.html;

Chimie Generala, C. D. Neniţescu, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti.

12