هل تعلم؟, كيف يتم تحديد عمر الأشياء و التي قد يصل عمرها مليارات السنين ؟! - ‎تق-نت

الثلاثاء، 19 سبتمبر 2017

هل تعلم؟, كيف يتم تحديد عمر الأشياء و التي قد يصل عمرها مليارات السنين ؟!



هل سألت نفسك كيف يتم تحديد عمر الأشياء ؟ البعض يعتقد أنها مجرد تخمينات، و لكن في الواقع هناك علم معقد وراء هذا، موضوعنا اليوم عن قياس العمر إشعاعياً هو طريقة مثالية لتقدير عمر المواد وتسمى Radiometric dating وتعني تحديد العمر بالطريقة الاشعاعية، هذه الطريقة تعتمد على النشاط الاشعاعي للنظائر الطبيعية. هنالك طرق عديدة مختلفة للقيام بذلك وكل طريقة تستعمل نظام نظائري مختلف عن الأخرى وكل طريقة تختلف عن الأخرى في مستوى الدقة والتكاليف والمدة الزمنية التي يجب أن نرجع إلى الوراء لمعرفة عمر المادة.
ما هي النظائر؟ النظائر عبارة عن ذرات بعض العناصر الكيميائية تحتوي في نواتها على بروتونات، عدد هذه البروتونات يسمى بالعدد الذري، وتحتوي نواة الذرة أيضا على النيوترونات التي تحدد الكتلة الذرية للعنصر وأعدادها تختلف من ذرة لأخرى لنفس العنصر الكيمياوي وتسمى هذه الذرات بالنظائر الكيمياوية لنفس العنصر وأصل كلمة نظير يعني نفس المكان كناية إلى أن النظائر المختلفة لعنصر معين تشغل نفس المكان في الجدول الدوري. أي أن عدد البروتونات متساوية للنظائر المختلفة لعنصر معين وتختلف ألنظائر فقط في عدد النيوترونات.



كيف تعمل هذه النظائر كساعات دقيقة؟
 كل نظير من نظائر العنصر المشع الواحد لديه كتلة واستقرارية مختلفتين. بعض النظائر المشعة غير مستقرة أي انها في حالة مضطربه وفي اية لحظة يمكن أن تتحلل عن طريق السقوط الاشعاعي (تحرير الاشعاع). والنشاط الاشعاعي للعناصر تكون غالبا متكونا من دقائق ألفا (2 بروتون مع 2 نيوترون معاً) وكذلك من دقائق بيتا.
تتكون المادة من عدد هائل جدا من الذرات وهناك اعداد معينة من أنوية الذرات تتحلل اشعاعيا وتوقيت حصول ذلك يمكن أن يحدث في اية لحظة. الذرات النشطة الموجودة في المادة تكون بعد مرور زمن معين قد اصابها التحلل الاشعاعي. وهذا يعتمد على مدى قلقية (عدم استقرارية) تلك الذرات. وهذه الاستقرارية يمكن تعريفها وقياسها تحت مفهوم [نصف العمر] لنظائر العناصر. ونصف العمر هو الوقت اللازم لكي يتحلل نصف المادة اشعاعيا.
وكل نظير من نظائر العناصر المختلفة له نصف العمر ثابت طبيعي معروف. معظم النظائر المشعة يتحلل في عدة خطوات (سلسلة متتابعة من التحلل) إلى عناصر مستقرة تسمى بعنصر البنت بينما النظائر الأصلية قبل التحلل تسمى بعناصر الأم. أي نظير يُستخدم في تحديد العمر الاشعاعي يجب أن يتراوح نصف العمر له من بضعة آلاف سنة إلى بضعة مليارات من السنين. عندما تتكون مادة معينة فانها تتشكل فقط من عناصر الأم فليس فيها عناصر البنت. وعندما نفحص المواد لمعرفة عمرها نرى فيها عناصر بنت وأم، فعناصر البنت قد تشكلت من عناصر الام بعد حصول التحلل الاشعاعي كما وضحت أعلاه.
عندما تتشكل مادة ما فأنها تمنع عناصر البنت من التسرب إليها نتيجة حصول تسخن كبير جدا لها وعناصر البنت التي تتشكل على مر الزمن سوف تتلاشى بواسطة الانتشار بسبب فرق التركيز Diffusion عندها تكون الساعة النووية قد تم تصفيرها. ودرجة الحرارة التي عندها تحصل هذه العملية تسمى بدرجة الحرارة الكابحة. ودرجة الحرارة هذه تختلف باختلاف المادة. معادلة حساب العمر



كيف تعمل هذه النظائر كساعات دقيقة؟
 كل نظير من نظائر العنصر المشع الواحد لديه كتلة واستقرارية مختلفتين. بعض النظائر المشعة غير مستقرة أي انها في حالة مضطربه وفي اية لحظة يمكن أن تتحلل عن طريق السقوط الاشعاعي (تحرير الاشعاع). والنشاط الاشعاعي للعناصر تكون غالبا متكونا من دقائق ألفا (2 بروتون مع 2 نيوترون معاً) وكذلك من دقائق بيتا. تتكون المادة من عدد هائل جدا من الذرات وهناك اعداد معينة من أنوية الذرات تتحلل اشعاعيا وتوقيت حصول ذلك يمكن أن يحدث في اية لحظة. الذرات النشطة الموجودة في المادة تكون بعد مرور زمن معين قد اصابها التحلل الاشعاعي. وهذا يعتمد على مدى قلقية (عدم استقرارية) تلك الذرات. وهذه الاستقرارية يمكن تعريفها وقياسها تحت مفهوم [نصف العمر] لنظائر العناصر. ونصف العمر هو الوقت اللازم لكي يتحلل نصف المادة اشعاعيا. وكل نظير من نظائر العناصر المختلفة له نصف العمر ثابت طبيعي معروف.
معظم النظائر المشعة يتحلل في عدة خطوات (سلسلة متتابعة من التحلل) إلى عناصر مستقرة تسمى بعنصر البنت بينما النظائر الأصلية قبل التحلل تسمى بعناصر الأم. أي نظير يُستخدم في تحديد العمر الاشعاعي يجب أن يتراوح نصف العمر له من بضعة آلاف سنة إلى بضعة مليارات من السنين.
عندما تتكون مادة معينة فانها تتشكل فقط من عناصر الأم فليس فيها عناصر البنت. وعندما نفحص المواد لمعرفة عمرها نرى فيها عناصر بنت وأم، فعناصر البنت قد تشكلت من عناصر الام بعد حصول التحلل الاشعاعي كما وضحت أعلاه. عندما تتشكل مادة ما فأنها تمنع عناصر البنت من التسرب إليها نتيجة حصول تسخن كبير جدا لها وعناصر البنت التي تتشكل على مر الزمن سوف تتلاشى بواسطة الانتشار بسبب فرق التركيز Diffusion عندها تكون الساعة النووية قد تم تصفيرها. ودرجة الحرارة التي عندها تحصل هذه العملية تسمى بدرجة الحرارة الكابحة. ودرجة الحرارة هذه تختلف باختلاف المادة. معادلة حساب العمر

جهاز قياس الطيف الكتلي – Mass spectrometry 
هذا الجهاز يستعمل في تحديد شكل ونوعية وماهية النظائر والجزيئات وخلائط الكيمياوية والبيولوجية والتي تكون بمقادير صغيرة جدا قد تصل إلى جزء واحد من المليار للغرام الواحد. الجهاز الذي يستعمل هذه الطريقة تم اختراعه في أربعينيات القرن الماضي، ومنذ خمسينيات القرن الماضي يُستعمل هذا الجهاز لتحديد عمر المواد اشعاعيا. يقوم هذا الجهاز بواسطة السخونة الشديدة بشحن مجموعة من الذرات بالأيونات ويتم استخلاص هذه الذرات المتأينة من النموذج ويتم فصل الكتلة والشحنة الكهربائية عن بعضها، عندها يتم قياس الأيونات بواسطة مجسات خاصة تسمى بكؤوس فاراداي – Faraday cup، عندما تتعرض هذه الكؤوس للأيونات هذه فان ذلك يؤدي إلى توليد كهربائية ضعيفة ويتم قياس هذه الكهربائية بدقة وعندها وبواسطة هذه القيم المقاسة يتم معرفة كمية تراكيز العناصر أو النظائر المختلفة (عناصر الأم والبنت). يمكن أن نرفع دقة قياس العمر بالاشعاع عن طريق أخذ عينات من أماكن مختلفة من النموذج المراد تقدير قِدَمه (عُمْره) لأنه إذا فرضنا أن جميع أجزاء العينة له نفس العمر فيجب منطقيا تعطي كافة القياسات نفس الزمن (العمر) isochron. يمكن مقارنة نتائج فحص نظامين نظائريين مع بعضهما في حالة تواجدهما معا في نفس العينة وذلك للتأكد من دقة القياسات. دقة القياسات تعتمد أيضا على عمر النصف لعنصر الأم. فمثلا نظير كاربون المشع 14C لها عمر نصف أقل من 6000 سنة فليس من المعقول أن نستعمل 14C في تحديد عمر شيء يرجع قِدمه إلى 600 ألف سنة مثلا. لذلك في هذه الحالة يجب استمال أنظمة نظائرية أخرى. أن استعمال نظائر الكربون لتحديد أعمار أشياء ترجع إلى فترة من 1000 سنة إلى 50 ألف سنة قبل الآن يمكن أن يعطي نتائج دقيقة نسبيا.



الطرق المستعملة في تحديد العمر إشعاعياً من أقدم الطرق المستعملة هي طريقة يورانيوم – رصاص لتحديد العمر، يُستعمل هذه الطريقة لتحديد عمر معدن الزركون (سليكات الزركونيوم) الذي عند تكوّنه يستبعد أخذ الرصاص بينما يأخذ تراكيز كبيرة من اليورانيوم.
استعمال هذه الطريقة الآن يعطي نتائج فيها عدم دقة تصل إلى زائد أو ناقص 2 مليون سنة لشيء عمره 3 مليارات من السنين، هذه الطريقة تستعمل بكثرة في الداسات والفحوصات الجيولوجية. بما أن 235U تتحللا إشعاعيا إلى 207Pb وفي نفس الوقت 238U تتحلل إلى 206Pb فأن هذه الطريقة لها ميزة جيدة جدا باننا نحصل على نتيجتين يمكننا مقارنتهما مع بعض لمعرفة مدى دقة القياسات المأخوذة. طريقة بوتاسيم – أرغون لتحديد العمر تستعمل طريقة تحلّل 40K إلى 40Ar.
فنظير بوتاسيم المشع أربعين 40K له عمر نصف كبير جدا وتتواجد بكثرة في المايكات وفيلدسبارات وفي هورنبليندات لكن من أهم مساويء هذه الطريقة هي أن ل 40K درجة حرارة كابحة منخفضة جداً. طريقة روبيديوم – سترونتيوم لتحديد العمر اشعاعيا تستعمل تحلّل 87Rb إلى 87Sr الذي له عمر نصف كبير جدا ودرجة حرارة الكابحة لهذه الطريقة هي كبيرة نسبياً، لكن لأنّ عمر النصف له كبير جدا فأن القياسات تكون غير دقيقة.
طريقة تحديد العمر بواسطة الكربون المشع تستعمل تحلل 14C اشعاعيا الذي له نصف عمر قليل نسبيا لذلك نرى بأن هذه الطريقة من أشهر الطرق في تحديد عمر المواد في علم الآثار Archaeology. طريقة أخرى لها أيضا عمر نصف قليل نسبيا هي طريقة يورانيوم – ثوريوم لتحديد العمر اشعاعيا وفيها تستعمل تحلّل 238U إلى 230Th وكذلك 235U إلى 231Pa (Protactinium).

هناك طرق أخرى لتحديد عمر (قِدَم) المواد اشعاعياً: ساماريوم – نيوديميوم لوتيتيوم – هافنيوم أرغون – أرغون يورانيوم – يورانيوم رصاص – رصاص رينيوم – أوسميوم لانثانوم – باريوم.

استخدام أي نظام من أنظمة النظائر أعلاه لتحديد عمر (قِدَم) المواد تتوقف على العمر المتوقع للشيء المراد فحصه أو بالأحرى تحديد عمره. طريقة الكاربون المشع تستعمل لتحديد عمر أشياء تقدر عمرها بما لا يزيد عن بضع سنوات. أما للمواد التي تقدر عمرها بنحو بضع مليارات سنة (مثلا 3 إلى 4 مليارات سنة) فنستعمل غالبا طريقة يورانيوم – رصاص التي تطبق على معدن الزركون. تسربت الكثير من 36Cl في طبقة الأتموسفير للكرة الأرضية نتيجة التجارب الأسلحة النووية في خمسينيات القرن المنصرم ولأن 36Cl له عمر نصف قصير جداً فأنها تستعمل لمعرفة المسافات التي تقطعها تكتلات المياه الجوفية لكن هذه الطريقة لا تدخل ضمن مفهوم تحديد العمر اشعاعيا.

إرسال تعليق

ابحث عن أي شيء تريده في هذا الموقع