Датирование калий-аргоновым (K-Ar) методом

Мы знаем, что элемент определяется числом протонов в его составе. Например, калий. Смотрим в периодическую таблицу элементов. Вот её копия, не целой таблицы, а лишь её части. У калия 19 протонов. Можем записать это так. Мы знаем, что если у нас калий, его атом имеет 19 протонов. А также, если атом имеет 19 протонов, то это калий. Мы также знаем, что не все атомы элемента имеют одинаковое число нейтронов. Говоря о данном элементе, помним, что есть разное количество нейтронов. И называем это изотопами данного элемента. Например, калий может принять форму, в которой у него будет ровно 20 нейтронов. Это называется калий-39. Вот так. А 39, его массовое число, — это сумма 19-ти протонов и 20-ти нейтронов. Это, вообще говоря, самый распространённый изотоп калия. Он представляет — я округляю — 93,3% всего калия, находящегося на Земле. Но есть и другие изотопы калия. Также есть калий… И опять же, писать ещё раз K и 19 — это излишне. Также есть калий-41. У него будет 22 нейтрона. 22 + 19 — 41. Он составляет около 6,7% калия на нашей планете. Затем есть ещё очень редкий изотоп калия, называемый калий-40. Калий-40, очевидно, имеет 21 нейтрон. Он чрезвычайно редок, составляя всего 0,0117% от всего калия. Но это также изотоп калия, который интересен нам с точки зрения датирования старых горных пород, особенно вулканических. Как мы увидим, когда удается датировать старую вулканическую породу, это позволяет оценить и другие типы пород или другие типы ископаемых, которые могут быть заточены внутри старой вулканической породы. Что действительно важно в случае калия-40 — это что его период полураспада 1,25 млрд лет. Положительная сторона здесь в том, что, в отличие от калия-14, его можно использовать для датирования очень старых находок. И каждые 1,25 млрд лет… Я запишу, что это период полураспада. Итак, каждые 1,25 млрд лет 50% данного образца распадётся. 11% распадётся и превратится в аргон-40. Запишем это. Вот здесь аргон. У него 18 протонов. Когда вы представляете себе распад в аргон-40, вы увидите, что калий теряет протон, но у него остаётся то же массовое число. Так что один из протонов должен как-то превратиться в нейтрон. Он захватывает один из внутренних электронов, затем выделяет нечто другое — я не буду углубляться в квантовую физику, — и превращается в аргон-40. А 89% превращаются в кальций-40. Вы видите здесь, в периодической таблице, что у кальция 20 протонов. Это ситуация, когда один из нейтронов превращается в протон. Это ситуация, когда один из протонов превращается в нейтрон. Нас, в действительности, интересует вот эта часть. Потому что в аргоне замечательно то, — и мы уже немного коснулись этого в видео по химии — что это благородный газ, он неактивен. И, оказываясь в составе чего-либо в жидком состоянии, он будет просто пузыриться. Он не соединяется ни с чем, а просто выйдет пузырьками и уйдёт в атмосферу. В этой ситуации вы можете себе представить, что происходит в процессе извержения вулкана. Я нарисую здесь вулкан. Предположим, это наш вулкан. В некоторый момент в прошлом произошло извержение. Он извергается, вытекает лава. Вот она. Эта лава будет содержать некоторое количество калия-40. Обратите внимание, в ней уже содержится некоторое количество аргона. Про аргон-40 известно, что пока он в лаве, пока она в жидком состоянии… Представим себе лаву вот здесь. Вот эта масса. Я изображу калий-40. Возьму цвет, который я ещё не брал. Пусть будет пурпурный. Здесь будет содержаться калий-40. Наверное, я изобразил его слишком много. Это очень редкий изотоп. Но там будет содержаться некое количество калия-40. И также там может содержаться некое количество аргона-40. Но аргон-40 — это благородный газ. Он ни с чем не соединяется. И пока эта лава в жидком состоянии, аргон сможет выделиться пузырьками. Он просто всплывет наверх. У него нет связей. И он испарится. Я не должен говорить «испарится». По сути, он просто будет пузыриться, потому что ни к чему не прикреплён. Он просто будет улетучиваться, пока лава в жидком состоянии. В этом случае важно, что когда происходит извержение вулкана… И так как этот аргон-40 выделяется, к тому моменту, когда лава застынет в вулканическую породу — я изображу эту вулканическую породу другим цветом — к тому моменту, когда лава застынет в вулканическую породу, весь аргон-40 выйдет. Его больше здесь не будет. В этом вулканическом примере очевиден тот факт, что порода стала жидкой и это сводит количество аргона-40 в ней на нет. Так что здесь останется только калий-40. Именно поэтому аргон-40 более интересен, потому что кальций-40 не обязательно выделится. Здесь мог уже быть кальций-40. Кальций-40 не обязательно выделится. Но аргон-40 выделится. Он как бы обнуляет ситуацию. Вулканическое извержение обнуляет количество аргона-40. Как только это случилось, не должно остаться аргона-40 к тому моменту, когда лава затвердеет. Если вы перейдёте к некоторой дате в будущем, если вы посмотрите на образец — я скопирую и вставлю его. Итак, если вы перенесетесь в будущее, то увидите, что в этом образце есть некое количество аргона-40, а это вулканическая порода. Вы знаете, что она образовалась во время вулканического извержения. Вам известно, что этот аргон-40 произошёл из распавшегося калия-40. И вы знаете, что он распался с момента извержения, потому что если бы он был здесь раньше, он бы выделился. Единственная причина, по которой аргон находится внутри… Пока лава жидкая, он будет выделяться, но как только она затвердеет, он окажется заключён внутри породы. Так что вы понимаете, что единственный способ появления этого аргона-40 — распад калия-40. Взгляните на соотношение. Получается, что для каждого из этих атомов аргона-40, так как только 11% продукта распада составляет аргон-40, на каждый его атом должно приходиться порядка девяти атомов кальция-40, который тоже распался. Для каждого из атомов аргона-40 нам известно, что должно было быть 10 изначальных атомов калия-40. Мы можем ориентироваться на соотношение количества калия-40 сегодня и количества, которое должно было быть, исходя из рассмотренного выше, чтобы датировать находки. В следующем видео я проделаю математические расчёты, чтобы показать вам, что вы действительно можете датировать так. Чтобы понять, насколько это полезно, взгляните на эти соотношения. Извержения вулканов не происходят каждый день, но если вы оглянетесь на миллионы лет назад, на этой временной шкале, они всё же происходят довольно часто. Нужно лишь раскапывать землю. Предположим, вот это земля. Вы раскапываете землю и видите извержение вулкана, вулканическую породу, а затем копаете дальше. Вот здесь другой слой вулканической породы. Это еще один слой породы. В нём будет содержаться определённое количество калия-40. Здесь будет содержаться некоторое количество калия-40. Затем предположим, что вот здесь содержится больше аргона-40. А здесь немного меньше. Используя расчёты, которые мы проделаем в следующем видео, вы можете вычислить, используя период полураспада и соотношение для оставшегося аргона-40. Или, используя соотношение для оставшегося калия-40 к тому, что, как нам известно, было здесь ранее, вы скажете, что порода затвердела 100 млн лет назад, за 100 млн лет до настоящего времени. Вам известно, что вот этот слой затвердел… Скажем, нам известно, что он затвердел около 150 млн лет назад. И, допустим, что вы точно уверены, что эту почву не раскапывали, не смешивали и так далее. То есть она была совершенно нетронута, тогда вы рассматриваете вот эти образцы почвы. Предположим, вы находите здесь окаменелость. Затем, даже когда радиоуглеродное датирование бесполезно, эти оценки выходят за пределы 50 000-летнего периода, вы находите окаменелость между этими двумя периодами. Это очень надежный индикатор, если допустить, что эту почву не перекапывали и не мешали, тогда этой окаменелости между 100 и 150 млн лет. Это событие произошло. И эти окаменелости отложились в земле. Эти животные умерли, и они жили и умерли. И затем происходит вот это извержение вулкана. Так что это позволяет вам, даже если вы просто датируете вулканическую породу, это позволяет вам, изучая слои породы, датировать находки между этими слоями. Так что это не только лишь датирование вулканической породы. Это позволяет нам датировать очень древние вещи и углубляться назад во времена, значительно более древние по сравнению с возможностями радиоуглеродного датирования. Subtitles by the Amara.org community