Τα άτομα ως γνωστό αποτελούνται
από ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια.
Τα ηλεκτρόνια έχουν ένα αρνητικό φορτίο
ενώ τα πρωτόνια ένα θετικό φορτίο.
Επειδή το νετρόνιο αποτελεί στην πράξη
συνδυασμό ενός πρωτονίου και ενός
ηλεκτρονίου, εμφανίζεται χωρίς φορτίο.
Τα πρωτόνια και τα νετρόνια βρίσκονται
στον πυρήνα του ατόμου ενώ τα ηλεκτρόνια
περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε
ορισμένες τροχιές.
Πρακτικά, όλη (~99,9%) η μάζα ενός ατόμου βρίσκεται στον πυρήνα του δείχνοντας έτσι ότι ουσιαστικά τα ηλεκτρόνια δεν έχουν μάζα. Η μάζα ενός πρωτονίου ή ενός νετρονίου είναι ελαφρώς μόνο μεγαλύτερη από μία μονάδα ατομικής μάζας ενώ η μάζα ενός ηλεκτρονίου είναι μόλις το 1/2000 της ίδιας μονάδας. Η συμμετοχή του ηλεκτρονίου στη μάζα του ατόμου είναι σχεδόν μηδαμινή. Εξαιτίας αυτού ως μαζικός αριθμός ενός ατόμου αποτελεί το άθροισμα του αριθμού των νετρονίων και των πρωτονίων του πυρήνα. Ως ατομικός αριθμός (ο αριθμός-ταυτότητα ενός ατόμου) χαρακτηρίζεται ο αριθμός των πρωτονίων. Συχνά, άτομα του ίδιου στοιχείου εμφανίζονται με διάφορους αριθμούς νετρονίων στους πυρήνες τους. Τα άτομα αυτά ονομάζονται ισότοπα του στοιχείου, έχουν διαφορετικούς μαζικούς αριθμούς αλλά πάντα εμφανίζονται με τον ίδιο ατομικό αριθμό. Ως παράδειγμα αναφέρεται ο άνθρακας, ο οποίος έχει δύο αρκετά γνωστά ισότοπα, ένα με μαζικό αριθμό 12 (12C) και ένα με μαζικό αριθμό 14 (14C). Όλα τα άτομα του άνθρακα έχουν έξι πρωτόνια (ατομικός αριθμός 6). Συνεπώς, ο 12C θα πρέπει να έχει έξι νετρόνια για να του δώσουν μαζικό αριθμό 12 ενώ ο 14C θα πρέπει να έχει οκτώ νετρόνια για να του δώσουν μαζικό αριθμό 14. Αν και τα περισσότερα άτομα είναι σταθερά, πολλά στοιχεία έχουν ισότοπα τα οποία είναι ασταθή. Οι πυρήνες τους διασπώνται σε άλλα είδη πυρήνων, με ελευθέρωση ενέργειας, με μια διαδικασία που ονομάζεται ραδιενέργεια. Τα ραδιενεργά ισότοπα συχνά αναφέρονται ως μητρικά ενώ τα ισότοπα που προκύπτουν από τη διάσπαση τους ως θυγατρικά. Παραδείγματα ασταθών πυρήνων, σημαντικών στις γεωλογικές επιστήμες, είναι το 40K, 87Rb, 232Th, 238U και 235U. Κατά τη διάσπαση των ασταθών πυρήνων
εκπέμπονται πυρηνικά σωματίδια, όπως σωματίδια
α και β, ενώ συνήθως εκπέμπεται και
ακτινοβολία γ. |
||
Ραδιενεργές διασπάσεις | ||
Διάσπαση με εκπομπή σωματιδίων α | ||
Ένα σωματίδιο α αποτελείται
από δύο νετρόνια και δύο πρωτόνια,
ισχυρά συνδεδεμένα μεταξύ τους. Τα α
σωματίδια, τα οποία είναι όμοια με τον
πυρήνα του 4Ηe, εκπέμπονται
από τους ασταθείς πυρήνες κατά την α-διάσπαση.
Σ' αυτό το είδος της διάσπασης ο ατομικός αριθμός του ατόμου ελαττώνεται κατά δύο εξαιτίας της απομάκρυνσης δύο πρωτονίων, ενώ ο μαζικός αριθμός ελαττώνεται κατά τέσσερα (Σχήμα 1). Παράδειγμα μιας τέτοιας διάσπασης
είναι: |
||
238U92 => 234Th90 + α + γ + ενέργεια | ||
![]() |
||
Σχήμα 1. Διάσπαση με εκπομπή α σωματιδίων. |
||
Διάσπαση με εκπομπή σωματιδίων β | ||
Ένα σωματίδιο β είναι ένα
ηλεκτρόνιο το οποίο εκπέμπεται από
τον ασταθή πυρήνα κατά τη β-διάσπαση.
Επειδή το ηλεκτρόνιο θεωρείται ότι δεν έχει μάζα, η εκπομπή του δεν επηρεάζει το μαζικό αριθμό, ο ατομικός αριθμός όμως αυξάνεται κατά μία μονάδα, αφού ο αριθμός των νετρονίων αυξήθηκε κατά ένα (Σχήμα 2). Παράδειγμα β-διάσπασης αποτελεί η
μετατροπή: |
||
87Rb37 => 87Sr38 + β- + ενέργεια | ||
![]() |
||
Σχήμα 2. Διάσπαση με εκπομπή β σωματιδίων. |
||
Διάσπαση με σύλληψη ηλεκτρονίων | ||
Διάσπαση όμως γίνεται και με τη σύλληψη
ηλεκτρονίου, κατά την οποία ένα
τροχιακό ηλεκτρόνιο συλλαμβάνεται από
τον πυρήνα
Με τη διαδικασία αυτή το φορτίο του πυρήνα ελαττώνεται κατά μία μονάδα χωρίς όμως ουσιαστική μεταβολή της μάζας του. Παράδειγμα μιας τέτοιας διαδικασίας
είναι η αντίδραση: |
||
40Κ + τροχιακό e- => 40Ar + γ + ενέργεια | ||
Στην εξίσωση αυτή, όπως και στις δύο προηγούμενες, το γ αντιπροσωπεύει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία υψηλής ενέργειας, η οποία εκπέμπεται από ένα διεγερμένο πυρήνα καθώς μεταπίπτει σε μια λιγότερο διεγερμένη κατάσταση. |
Σειρές διασπάσεως | |
Στις σειρές διασπάσεως 238U
=> 206Pb, 235U => 207Pb και 232Th
=> 208Pb, που αποτελούν τη βάση για
τρεις διαφορετικές και ανεξάρτητες
μεθόδους προσδιορισμού της ηλικίας
γεωλογικών σχηματισμών, παράγονται και
εκπέμπονται αρκετά σωματίδια α και β, σε
μία ακολουθία ενδιάμεσων ραδιενεργών
προϊόντων.
Ένα τέτοιο παράδειγμα δίνεται στο σχήμα 3, όπου κανείς μπορεί να δει ότι όταν το μητρικό ραδιενεργό 238U (ατομικός αριθμός 92, μαζικός αριθμός 238) διασπάται, εκπέμπει 8 σωματίδια α και 6 σωματίδια β πριν καταστεί το σταθερό θυγατρικό 206Pb (ατομικός αριθμός 82, μαζικός αριθμός 206). Αυτό φυσικά γίνεται με τις διαδοχικές μετατροπές σε διάφορα στοιχεία. Εκπομπή 8 σωματιδίων α σημαίνει εκπομπή 8x2=16 πρωτονίων και 8x2=16 νετρονίων, δηλαδή μείωση του μαζικού αριθμού του μητρικού ισοτόπου κατά 32 και του ατομικού του αριθμού κατά 16. Ομοίως, εκπομπή 6 σωματιδίων β σημαίνει εκπομπή 6 ηλεκτρονίων από τον πυρήνα του, που έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του ατομικού αριθμού κατά 6 χωρίς να μεταβάλλεται ο μαζικός αριθμός. Έχουμε δηλαδή συνολικά μείωση του μαζικού αριθμού κατά 32 (238 => 206) και του ατομικού αριθμού κατά 10 (-16+6=10, 92 => 82). |
![]() |
Σχήμα 3. Σειρά ραδιενεργού διάσπασης στο πιο κοινό ισότοπο του ουρανίου (238U). Πριν τη δημιουργία του τελικού προϊόντος της διάσπασης (206Pb) δημιουργούνται διάφορα ισότοπα ως ενδιάμεσα προϊόντα. |
Ραδιενεργά ορυκτά |
Σε ορυκτά με σημαντικά ποσοστά U
και Th, το είδος αυτό ακτινοβολίας μπορεί
να μετρηθεί εύκολα και ως εκ τούτου
αποτελεί μία διαγνωστική ιδιότητα στο
χαρακτηρισμό ραδιενεργών ορυκτών.
Μεταξύ των ραδιενεργών ορυκτών γνωστά
παραδείγματα αποτελούν ο ουρανινίτης
UO2, ο θοριανίτης
ThO2, ο θορίτης ThSiO4, ο ουρανιοθορίτης
(Th,U)SiO4, ο ωτουνίτης
Ca(UO2)2(PO4)2·10-12H2O,
ο μοναζίτης (Ce,La,Y)PO4,
το ζιρκόνιο
(ZrSiO4) κ.ά.
Η ακτινοβολία μπορεί εύκολα να μετρηθεί, τόσο στο εργαστήριο όσο και στο ύπαιθρο με ένα μετρητή Geiger ή με συσκευή σπινθηρισμού (scintillation). Η παρουσία επίσης της ακτινοβολίας αυτής μπορεί να δειχθεί με την έκθεση σ' αυτήν ενός μη εμφανισθέντος φιλμ, το οποίο περιβάλλεται από αδιαφανές περιτύλιγμα. Η ακτινοβολία θα επηρεάσει το φιλμ και θα το εμφανίσει. Η διαδικασία αυτή είναι γνωστή ως αυτοραδιογραφία. Η παραγωγή ενεργητικών σωματιδίων α
και β και ακτινοβολίας γ, καθώς και οι
μεταβολές στα ιοντικά μεγέθη, που
συμβαίνουν κατά τη μετάβαση από τα
μητρικά στα θυγατρικά στοιχεία, έχει ως
αποτέλεσμα τη μεταβολή της κρυσταλλικής
δομής στην οποία συμβαίνουν οι
διαδικασίες αυτές. Για το λόγο αυτό τα
περισσότερα ουρανιούχα και θοριούχα
ορυκτά υφίστανται μερική ή ολική
καταστροφή των δομών τους, γνωστή ως μετάμειξη. |
Ραδιοχρονολόγηση - Ημιπερίοδος ζωής |
Η ανακάλυψη της ραδιενέργειας
υπήρξε ένα από τα μεγαλύτερα
επιτεύγματα των φυσικών επιστημών.
Μεταξύ των πλέον σημαντικών
αποτελεσμάτων της ανακάλυψης της
ραδιενέργειας είναι η ραδιοχρονολόγηση,
η εύρεση δηλαδή της ηλικίας ορυκτών και
πετρωμάτων. Η ραδιοχρονολόγηση αποτελεί
μια αξιόπιστη μέθοδο στη γεωλογία γιατί
ο ρυθμός με τον οποίο διασπώνται τα
ραδιενεργά ισότοπα είναι σταθερός και
δεν επηρεάζεται από κανένα χημικό ή
φυσικό παράγοντα. Ο ρυθμός της
ραδιενεργούς διάσπασης ενός ισοτόπου
εκφράζεται με την ημιπερίοδο ζωής
του ισοτόπου αυτού. |
Ορισμός: Ημιπερίοδος ζωής θεωρείται ο χρόνος που απαιτείται για τη διάσπαση του μισού πυρήνα ενός ραδιενεργού ισοτόπου σε ένα δείγμα. |
Εάν θεωρήσουμε ότι αρχίζει η διάσπαση ενός ραδιενεργού υλικού βάρους ενός κιλού, η διάσπαση του μισού κιλού θα συντελεστή σε μία ημιπερίοδο ζωής, το μισό του υπολοίπου υλικού, δηλαδή το ένα τέταρτο, θα διασπαστεί σε μία άλλη ημιπερίοδο ζωής, το μισό του υπολοίπου, δηλαδή το ένα όγδοο, σε μία άλλη, κ.ο.κ. |
Η αρχή της
ραδιοχρονολόγησης μπορεί να εκφραστεί
με το σχήμα 4 όπου
χρησιμοποιείται ένα υποθετικό
ραδιενεργό μητρικό υλικό, με ημιπερίοδο
ζωής 10 εκ. χρόνων, το οποίο διασπάται
κατευθείαν στο σταθερό θυγατρικό προϊόν.
Υπολογίζοντας τα ποσοστά του ραδιενεργού μητρικού και του σταθερού θυγατρικού μπορούμε να προσδιορίσουμε την ηλικία του δείγματος. Στο παράδειγμα του σχήματος, όταν οι ποσότητες του μητρικού και του θυγατρικού είναι ίσες (αναλογία 1:1), γνωρίζουμε ότι έχει παρέλθει μία ημιπερίοδος ζωής και ότι η ηλικία του δείγματος είναι 10 εκ. χρόνια. Οταν η αναλογία είναι 1:3 σημαίνει ότι έχουν παρέλθει δύο ημιπερίοδοι ζωής και η ηλικία του δείγματος είναι 20 εκ. χρόνια ενώ όταν η αναλογία είναι 1:31 η ηλικία του δείγματος είναι 50 εκ. χρόνια αφού η αναλογία αυτή δείχνει παρέλευση πέντε ημιπεριόδων ζωής. |
![]() |
Σχήμα 4. Διάσπαση ενός υποθετικού ραδιενεργού ισοτόπου με ημιπερίοδο ζωής 10 εκατομμύρια χρόνια. |
|
Ραδιενεργό στοιχείο | Σταθερό
ισότοπο (προϊόν διάσπασης) |
Ημιπεριόδος ζωής | ||
Ουράνιο-238 | 238U | Μόλυβδος-206 | 206Pb | 4,5 δισεκατ. έτη |
Ουράνιο-235 | 235U | Μόλυβδος-207 | 207Pb | 713 εκατ. έτη |
Θόριο-232 | 232Th | Μόλυβδος-208 | 208Pb | 14,1 δισεκατ. έτη |
Ρουβίδιο-87 | 87Rb | Στρόντιο-87 | 87Sr | 47 δισεκατ. έτη |
Κάλιο-40 | 40K | Αργό-40 | 40Ar | 1,3 δισεκατ. έτη |
Πίνακας 1. Συνήθη ισότοπα που χρησιμοποιούνται στη γεωχρονολόγηση. |
Παρόλο που η βασική αρχή της
ραδιοχρονολόγησης είναι σχετικά απλή, η
όλη διαδικασία είναι αρκετά πολύπλοκη
και απαιτεί τη χρήση ακριβών και
εξειδικευμένων οργάνων, των
φασματογράφων μάζας. Οι αναλύσεις με τις
οποίες προσδιορίζονται οι ποσότητες των
μητρικών και θυγατρικών στοιχείων
πρέπει να είναι μεγάλης ακρίβειας και
γίνονται σε ειδικά εργαστήρια κάτω από
συνθήκες μεγάλης καθαριότητας.
Εκτός από αυτό, μερικά ραδιενεργά
ισότοπα δεν διασπώνται κατευθείαν στο
θυγατρικό τους προϊόν, όπως ήταν η
περίπτωση του υποθετικού παραδείγματος
που δώσαμε, γεγονός που κάνει την
ανάλυση ακόμη πιο δύσκολη. Στην
περίπτωση του 238U, σχηματίζονται
δεκατρία ενδιάμεσα ασταθή προϊόντα,
πριν από το σχηματισμό του τελικού
σταθερού ισοτόπου 206Pb (Σχήμα
3). |
Ραδιοάνθρακας |
Για χρονολόγηση πρόσφατων
γεγονότων χρησιμοποιείται το
ραδιενεργό ισότοπο του άνθρακα, ο 14C,
γνωστός και ως ραδιοάνθρακας. Επειδή
η ημιπερίοδος ζωής του είναι μόλις 5730
χρόνια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη
χρονολόγηση γεγονότων από τους
ιστορικούς χρόνους αλλά και για
γεγονότα της πρόσφατης γεωλογικής
ιστορίας, μέχρι και 75.000 χρόνων.
Ο ραδιοάνθρακας σχηματίζεται συνεχώς στην ανώτερη ατμόσφαιρα ως αποτέλεσμα βομβαρδισμού κοσμικής ακτινοβολίας, κατά τον οποίο κοσμική ακτινοβολία (πυρηνικά σωματίδια υψηλής ενέργειας) διασπά τους πυρήνες αερίων και απελευθερώνει νετρόνια. Τα νετρόνια στη συνέχεια απορροφούνται από άζωτο (Ν, ατομικός αριθμός 7, μαζικός αριθμός 14) αναγκάζοντας τον πυρήνα του να εκπέμπει ένα πρωτόνιο. Έτσι, ο ατομικός αριθμός του αζώτου μειώνεται κατά ένα - γίνεται 6 - με συνέπεια τη δημιουργία ενός νέου στοιχείου του 14C (Σχήμα 5). Το ισότοπο αυτό του άνθρακα ενώνεται με οξυγόνο προς σχηματισμό διοξειδίου του άνθρακα, κυκλοφορεί στην ατμόσφαιρα και απορροφάται από τους ζώντες οργανισμούς. Ως αποτέλεσμα αυτού όλοι οι οργανισμοί περιέχουν ένα μικρό ποσοστό ραδιοάνθρακα. Όσο ο οργανισμός είναι ζωντανός, ο
διασπώμενος ραδιοάνθρακας
αντικαθίσταται συνεχώς και έτσι η
αναλογία του 14C προς το πιο κοινό
ισότοπο του άνθρακα, τον 12C,
παραμένει σταθερή. Όταν όμως ο
οργανισμός πεθάνει, παύει να απορροφά
διοξείδιο του άνθρακα και συνεπώς δεν
παίρνει ραδιοάνθρακα για να
αντικαταστήσει τον διασπώμενο. Αντίθετα,
το ποσοστό του ραδιοάνθρακα εντός του
νεκρού οργανισμού μειώνεται βαθμιαία
καθώς αυτός διασπάται προς σχηματισμό 14Ν
με εκπομπή β-σωματιδίων (Σχήμα
5). |
![]() |
Σχήμα 5. Α) σχηματισμός και Β) διάσπαση του άνθρακα. |
Συγκρίνοντας λοιπόν τις αναλογίες του 14C και του 12C σε ένα δείγμα, μπορούμε να προσδιορίσουμε την ηλικία του. Αν και ο ραδιοάνθρακας είναι χρήσιμος μόνο για τη χρονολόγηση του τελευταίου μικρού κλάσματος του γεωλογικού χρόνου, έχει καταστεί ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο για τους ανθρωπολόγους, τους αρχαιολόγους, καθώς και για τους γεωλόγους οι οποίοι μελετούν την πολύ πρόσφατη ιστορία της γης. |