Earth Science

Lesdoelstellingen

• Definieer het verschil tussen absolute leeftijd en relatieve leeftijd.
• Beschrijf vier methoden voor absolute datering.
• leg uit wat radioactiviteit is en geef voorbeelden van radioactief verval.
• leg uit hoe het verval van radioactieve materialen helpt om de leeftijd van een object vast te stellen.
• schat de leeftijd van een object, rekening houdend met de halfwaardetijd en de hoeveelheden radioactief en dochtermateriaal.,
• geef vier voorbeelden van radioactieve materialen die worden gebruikt om objecten te dateren, en leg uit hoe elk materiaal wordt gebruikt.

boomringen

in gebieden buiten de tropen groeien bomen sneller tijdens de warme zomermaanden dan tijdens de koelere winter. Dit groeipatroon resulteert in afwisselende banden van lichtgekleurd, lage dichtheid ” vroeg hout “en donker, hoge dichtheid”laat hout”. Elke donkere band staat voor een winter; door ringen te tellen is het mogelijk om de leeftijd van de boom te bepalen (figuur 11.22)., De breedte van een reeks groeiringen kan aanwijzingen geven voor vroegere klimaten en verschillende verstoringen zoals bosbranden. Droogte en andere variaties in het klimaat zorgen ervoor dat de boom langzamer of sneller groeit dan normaal, wat te zien is in de breedtes van de boomringen. Deze boomringvariaties zullen verschijnen in alle bomen die groeien in een bepaald gebied, zodat wetenschappers de groeiringen van levende en dode bomen kunnen matchen. Met behulp van logboeken uit oude gebouwen en oude ruïnes, hebben wetenschappers boomringen kunnen vergelijken om een ononderbroken record van boomringen te creëren in de afgelopen 2000 jaar., Deze boom ring record is zeer nuttig gebleken bij het creëren van een record van de klimaatverandering, en bij het vinden van de leeftijd van oude structuren.

ijskernen en varven

verschillende andere processen resulteren in de accumulatie van afzonderlijke jaarlijkse lagen die kunnen worden gebruikt voor datering., Er ontstaan bijvoorbeeld lagen binnen gletsjers omdat er in de zomer minder sneeuw valt, waardoor een donkere laag stof zich boven op de wintersneeuw kan ophopen (figuur 11.23). Om deze patronen te bestuderen boren wetenschappers diep in ijskappen … en produceren kernen van honderden meters lang. Wetenschappers analyseren deze ijskernen om te bepalen hoe het klimaat in de loop van de tijd is veranderd, evenals om concentraties van atmosferische gassen te meten. De langste kernen hebben geholpen om een record van polair klimaat dat zich uitstrekt honderdduizenden jaren terug te vormen.,

een ander voorbeeld van jaarlijkse lagen is de depositie van sedimenten in meren, vooral de meren die zich aan het einde van gletsjers bevinden. Het snel smelten van de gletsjer in de zomer resulteert in een dikke, zanderige afzetting van sediment. Deze dikke lagen worden afgewisseld met dunne, kleirijke lagen die in de winter worden afgezet. De resulterende lagen, genaamd varves, geven wetenschappers aanwijzingen over klimaatomstandigheden in het verleden., Bijvoorbeeld, een bijzonder warme zomer kan resulteren in een zeer dikke laag sediment afgezet uit de smeltende gletsjer. Dunnere varven kunnen wijzen op koudere zomers, omdat de gletsjer niet zoveel smelt en zoveel sediment in het meer draagt.

leeftijd van de aarde

hoewel boomringen en andere jaarlijkse lagen nuttig zijn voor het dateren van relatief recente gebeurtenissen, zijn ze niet van veel nut op de enorme schaal van geologische tijd., In de 18e en 19e eeuw probeerden geologen de leeftijd van de aarde te schatten met indirecte technieken. Geologen hebben bijvoorbeeld gemeten hoe snel stromen sediment aflegden, om te proberen te berekenen hoe lang de stroom al bestond. Niet verrassend, deze methoden resulteerden in wild verschillende schattingen, van een paar miljoen jaar tot “quadriljoenen jaar”. Waarschijnlijk werd de meest betrouwbare van deze schattingen geproduceerd door de Britse geoloog Charles Lyell, die schatte dat 240 miljoen jaar zijn verstreken sinds het verschijnen van de eerste dieren met schelpen., Vandaag weten wetenschappers dat zijn schatting te jong was; we weten dat dit ongeveer 530 miljoen jaar geleden gebeurde.in 1892 berekende William Thomson (later bekend als Lord Kelvin) de leeftijd van de aarde op een systematische manier (figuur 11.24). Hij nam aan dat de aarde begon als een bol gesmolten gesteente, die in de loop van de tijd gestaag is afgekoeld. Uit deze veronderstellingen berekende hij dat de aarde 100 miljoen jaar oud was. Deze schatting was een klap voor geologen en aanhangers van Charles Darwin ‘ s evolutietheorie, die een oudere aarde nodig had om tijd voor evolutie te voorzien.,Thomson ‘ s berekeningen bleken echter al snel gebrekkig te zijn toen radioactiviteit werd ontdekt in 1896. Radioactiviteit is de neiging van bepaalde atomen om te vervallen in lichtere atomen, die energie uitzenden in het proces. Radioactieve materialen in het binnenste van de aarde zorgen voor een constante bron van warmte. Berekeningen van de leeftijd van de aarde met behulp van radioactief verval toonden aan dat de aarde eigenlijk veel ouder is dan Thomson berekende.

radioactief verval

De ontdekking van radioactief materiaal deed meer dan Thomson ‘ s schatting van de leeftijd van de aarde weerlegde., Het bood een manier om de absolute leeftijd van een rots te vinden. Om te begrijpen hoe dit wordt gedaan, is het noodzakelijk om een aantal feiten over atomen te herzien.

atomen bevatten drie deeltjes: protonen, neutronen en elektronen. Protonen en neutronen bevinden zich in de kern, terwijl elektronen rond de kern draaien. Het aantal protonen bepaalt welk element je onderzoekt. Bijvoorbeeld, alle atomen van koolstof hebben zes protonen, alle atomen van zuurstof hebben acht protonen, en alle atomen van goud hebben 79 protonen. Het aantal neutronen is echter variabel., Een atoom van een element met een verschillend aantal neutronen is een isotoop van dat element. De isotoop koolstof-12 bevat bijvoorbeeld 6 neutronen in zijn kern, terwijl de isotoop koolstof-13 7 neutronen heeft.

sommige isotopen zijn radioactief, wat betekent dat ze onstabiel zijn en waarschijnlijk zullen bederven. Dit betekent dat het atoom spontaan zal veranderen van een onstabiele vorm naar een stabiele vorm. Er zijn twee vormen van nucleair verval die relevant zijn in hoe geologen rotsen kunnen dateren (Tabel (11.,1):

deeltje	samenstelling	Effect op de kern
Alfa	2 protonen, 2 neutronen	de kern bevat twee protonen minder en twee neutronen minder.	Beta	1 elektron	Eén neutron vervalt tot een proton en een elektron dat wordt uitgezonden.

als een element vervalt door het verliezen van een alfadeeltje, verliest het 2 protonen en 2 neutronen., Als een atoom vergaat door een bètadeeltje te verliezen, verliest het slechts één elektron.

dus wat heeft dit te maken met de leeftijd van de aarde? Radioactief verval resulteert uiteindelijk in de vorming van stabiele dochterproducten. Radioactief materiaal verval op bekende snelheid. Naarmate de tijd verstrijkt, zal het aandeel radioactieve isotopen afnemen en zal het aandeel dochterisotopen toenemen. Een rots met een relatief hoog aandeel radioactieve isotopen is waarschijnlijk zeer jong, terwijl een rots met een hoog aandeel dochterproducten waarschijnlijk zeer oud is.,

wetenschappers meten de snelheid van radioactief verval met een eenheid genaamd halfwaardetijd. De halfwaardetijd van een radioactieve stof is de tijd die gemiddeld nodig is voor de helft van de atomen om te bederven. Stel je bijvoorbeeld een radioactieve stof voor met een halfwaardetijd van één jaar. Wanneer een steen wordt gevormd, bevat het een bepaald aantal radioactieve atomen. Na een jaar (een halveringstijd) is de helft van de radioactieve atomen vervallen tot stabiele dochterproducten, en 50% van de radioactieve atomen blijven over., Na nog een jaar (twee halfwaardetijden) is de helft van de resterende radioactieve atomen vervallen en blijft 25% van de radioactieve atomen over. Na het derde jaar (drie halfwaardetijden) blijft 12,5% van de radioactieve atomen over. Na vier jaar (vier halfwaardetijden) blijft 6,25% van de radioactieve atomen over en na vijf jaar (vijf halfwaardetijden) blijft slechts 3,125% van de radioactieve atomen over.

Als u een steen vindt waarvan het radioactieve materiaal een halfwaardetijd heeft van één jaar en 3,125% radioactieve atomen en 96,875% dochteratomen Meet, kunt u aannemen dat de stof 5 jaar oud is., Het verval van radioactieve stoffen kan worden weergegeven met een grafiek (figuur 11.25). Als je een steen vindt met 75% van de radioactieve atomen die over zijn, hoe oud is het dan?

radiometrische datering van gesteenten

tijdens het radiometrische dateren worden verschillende isotopen gebruikt om gesteenten en andere materialen te dateren. Met behulp van verschillende isotopen helpt wetenschappers om de nauwkeurigheid van de leeftijden die zij berekenen te controleren.,

koolstofdatering

de atmosfeer van de aarde bevat drie koolstofisotopen. Koolstof-12 is stabiel en vertegenwoordigt 98,9% van de atmosferische koolstof. Koolstof-13 is ook stabiel en is goed voor 1,1% van de atmosferische koolstof. Koolstof-14 is radioactief en wordt in kleine hoeveelheden gevonden. Koolstof-14 wordt van nature geproduceerd in de atmosfeer wanneer kosmische stralen interageren met stikstofatomen. De hoeveelheid koolstof-14 geproduceerd in de atmosfeer op een bepaald moment is relatief stabiel in de tijd.

radioactief koolstof-14 vervalt tot stabiel stikstof-14 door het vrijgeven van een bètadeeltje., De stikstofatomen gaan verloren aan de atmosfeer, maar de hoeveelheid koolstof-14 verval kan worden geschat door het meten van de verhouding van radioactieve koolstof-14 tot stabiele koolstof-12. Naarmate een stof ouder wordt, neemt de relatieve hoeveelheid koolstof-14 af.

koolstof wordt tijdens het fotosyntheseproces door planten uit de atmosfeer verwijderd. Dieren consumeren deze koolstof als ze planten eten of andere dieren die planten hebben gegeten. Daarom koolstof-14 datering kan worden gebruikt om planten-en dierresten dateren. Voorbeelden zijn hout uit een oud gebouw, botten of as uit een vuurput., Koolstofdatering kan effectief worden gebruikt om de leeftijd van materialen tussen 100 en 50.000 jaar oud te vinden.

kalium-Argon datering

kalium-40 vervalt tot argon-40 met een halfwaardetijd van 1,26 miljard jaar. Omdat argon een gas is, kan het ontsnappen uit gesmolten magma of lava. Daarom elk argon dat wordt gevonden in een kristal waarschijnlijk gevormd als gevolg van het verval van kalium-40. Het meten van de verhouding van kalium-40 tot argon-40 zal een goede schatting van de leeftijd van het monster opleveren.

kalium is een veel voorkomend element in veel mineralen zoals veldspaat, mica en amfibole., De techniek kan worden gebruikt om stollingsgesteenten te dateren van 100.000 jaar tot meer dan een miljard jaar oud. Omdat het kan worden gebruikt om geologisch jonge materialen te dateren, is de techniek nuttig geweest bij het schatten van de leeftijd van afzettingen die de botten van menselijke voorouders bevatten.

uraan-Looddatering

voor radiometrische datering worden twee uraniumisotopen gebruikt. Uranium-238 vervalt tot lead-206 met een halfwaardetijd van 4,47 miljard jaar. Uranium 235 vervalt tot lood 207 met een halfwaardetijd van 704 miljoen jaar.

Uraniumlooddatering vindt gewoonlijk plaats op kristallen van het mineraal zirkoon (Figuur 11.,26). Wanneer zirkoon vormt in een stollingsgesteente, kristallen gemakkelijk accepteren atomen van uranium, maar verwerpen atomen van lood. Als er dus lood in een Zirkoonkristal wordt aangetroffen, kan worden aangenomen dat het uit het verval van uranium is geproduceerd.

Uraanlooddatering kan worden gebruikt om stollingsgesteenten van 1 miljoen jaar tot ongeveer 4,5 miljard jaar oud te dateren. Sommige van de oudste stenen op aarde zijn gedateerd met behulp van deze methode, met inbegrip van zirkoon kristallen uit Australië die zijn 4,4 miljard jaar oud.,

beperkingen van radiometrische datering

radiometrische datering kan alleen worden gebruikt voor materialen die meetbare hoeveelheden radioactief materiaal en dochterproducten daarvan bevatten. Dit omvat organische resten (die in vergelijking met rotsen relatief jong zijn, minder dan 100.000 jaar oud) en oudere stenen. Idealiter zullen verschillende radiometrische technieken worden gebruikt om hetzelfde gesteente te dateren. Overeenstemming tussen deze waarden geeft aan dat de berekende leeftijd nauwkeurig is.,

in het algemeen werkt radiometrische datering het beste voor stollingsgesteenten en is het niet erg nuttig om de leeftijd van sedimentair gesteente te bepalen. Om de leeftijd van een sedimentaire rotsafzetting te schatten, zoeken geologen naar nabijgelegen stollingsgesteenten die gedateerd kunnen worden. Bijvoorbeeld, als een sedimentaire gesteentelaag ingeklemd is tussen twee lagen vulkanische as, is de leeftijd tussen de leeftijden van de twee aslagen.

door gebruik te maken van een combinatie van radiometrische datering, indexfossielen en superpositie hebben geologen een goed gedefinieerde tijdlijn van de geschiedenis van de aarde gemaakt., Een bovenliggende lavastroom kan bijvoorbeeld een betrouwbare schatting geven van de leeftijd van een sedimentaire rotsformatie op één locatie. Indexfossielen in deze formatie kunnen dan worden gekoppeld aan fossielen op een andere locatie, wat een goede leeftijdsmeting biedt voor die nieuwe rotsformatie. Terwijl dit proces zich over de hele wereld heeft herhaald, zijn onze schattingen van gesteente-en fossielentijdperken steeds nauwkeuriger geworden.

lesoverzicht

technieken zoals superpositie en indexfossielen kunnen je de relatieve leeftijd van objecten vertellen, welke objecten ouder en welke jonger zijn., Andere soorten bewijs zijn nodig om de absolute leeftijd van objecten in jaren vast te stellen. Geologen gebruiken verschillende technieken om de absolute leeftijd vast te stellen, waaronder radiometrische datering, boomringen, ijskernen en jaarlijkse sedimentaire afzettingen genaamd varves.

radiometrische datering is de meest bruikbare van deze technieken—het is de enige techniek die de leeftijd van objecten ouder dan een paar duizend jaar kan vaststellen. De concentraties van verschillende radioactieve isotopen (koolstof-14, kalium-40, uranium-235 en -238) en hun dochterproducten worden gebruikt om de leeftijd van stenen en organische resten te bepalen.,

Reviewvragen

1. welke vier technieken worden gebruikt om de absolute leeftijd van een object of gebeurtenis te bepalen?
2. Een radioactieve stof heeft een halfwaardetijd van 5 miljoen jaar. Wat is de leeftijd van een rots waarin 25% van de oorspronkelijke radioactieve atomen overblijven?een wetenschapper bestudeert een stuk stof van een oude begraafplaats. Ze stelt vast dat 40% van de oorspronkelijke koolstof-14 atomen in het doek achterblijven. Op basis van de koolstofvervalgrafiek (figuur 11.27), Wat is de geschatte leeftijd van het doek?
   

   Figuur 11.,27: radioactief verval van koolstof-14

3. welke radioactieve isotopen zou u gebruiken om elk van de volgende objecten te dateren? Leg elk van je keuzes uit.
   • een 4 miljard jaar oud stuk graniet.
   • een miljoen jaar oude bed van vulkanische as die de voetafdrukken van mensachtigen (menselijke voorouders) bevat.
   • de vacht van een wolharige mammoet die onlangs in een gletsjer bevroren werd gevonden.
   • een gefossiliseerde trilobiet uit een zandsteenbed dat ongeveer 500 miljoen jaar oud is.,
4. het principe van uniformitarionisme stelt dat het heden de sleutel is tot het verleden. Met andere woorden, de processen die we vandaag zien gebeuren werkten waarschijnlijk op dezelfde manier in het verleden. Waarom is het belangrijk om aan te nemen dat de snelheid van radioactief verval constant is gebleven in de tijd?

woordenschat

absolute leeftijd de leeftijd van een object in jaren. Alfa-deeltje deeltje bestaande uit twee protonen en twee neutronen die tijdens radioactief verval uit de kern wordt uitgestoten., betadeeltje deeltje bestaande uit een enkel elektron dat uit de kern wordt uitgeworpen tijdens radioactief verval. Een bètadeeltje ontstaat wanneer een neutron vervalt om een proton en het uitgestoten elektron te vormen. dochter product stabiele stof die wordt geproduceerd door het verval van een radioactieve stof. Bijvoorbeeld, uranium-238 vervalt om lood-207 te produceren. halveringstijd hoeveelheid tijd die nodig is voor de helft van de atomen van een radioactieve stof om te bederven en dochterproducten te vormen. ijskern Cilinder van ijs gewonnen uit een gletsjer of ijskap., radioactieve stof die onstabiel is en waarschijnlijk energetische deeltjes en straling uitzendt. radioactiviteit emissie van hoog-energetische deeltjes en / of straling door bepaalde onstabiele atomen. radiometrische datering proces van het gebruik van de concentraties van radioactieve stoffen en dochterproducten om de leeftijd van een materiaal te schatten. Naarmate stoffen ouder worden, nemen de hoeveelheden radioactieve atomen af, terwijl de hoeveelheden dochtermaterialen toenemen. boom ring laag van hout in een boom die zich in een jaar vormt. Je kunt de leeftijd van een boom bepalen door de ringen te tellen., varve dunne laag sediment afgezet op een meerbed in de loop van een jaar meestal gevonden op de bodem van gletsjermeren.

Points to Consider

• Waarom zijn technieken zoals boomringen, ijskernen en varves alleen nuttig voor gebeurtenissen die zich in de laatste paar duizend jaar hebben voorgedaan?waarom was het zo belangrijk voor Darwin en zijn volgelingen om te bewijzen dat de aarde erg oud was?
• waarom is het belangrijk om meer dan één methode te gebruiken om de leeftijd van een steen of ander object te vinden?