Kálium-argon (K-Ar) kormeghatározás | Élet a Földön és a világegyetemben | Kozmológia és Csillagászat | Khan Academy

Tudjuk, hogy az elemeket

a protonszámuk határozza meg.

Vegyük például a káliumot.

Itt látható a periódusos rendszer,

a kép nem mutatja teljes egészében,

csak egy részét.

A kálium atomjában 19 proton van,

amit így jelölhetünk.

Ez kissé túlmagyarázza a lényeget.

Tudjuk, hogy ha ez egy káliumatom,
akkor 19 protonja van.

És tudjuk, hogy
ha egy atomban 19 proton van,

akkor az egy káliumatom.

Azt is tudjuk, hogy egy adott elemnek

nem minden atomjában ugyanannyi
a neutronok száma.

Amikor egy adott elem atomjairól beszélünk,

de ezekben a neutronok száma eltérő,

akkor ezeket az atomokat
az adott elem izotópjainak nevezzük.

A káliumatomnnak például

létezik olyan változata,
amelyikben pontosan 20 neutron van.

Ennek a neve kálium-39.

A 39 a tömegszáma,

amely a 19 proton és a 20 neutron
számának az összege.

Ez a kálium leggyakoribb izotópja.

Némi kerekítéssel ez teszi ki

a Földön található összes kálium 93,3%-át.

Lássuk a kálium néhány további izotópját.

Itt van például – ismétlem, a K vegyjellel

és a 19-es számmal együtt
kissé túlmagyarázzuk a dolgot –,

a kálium-41 is.

Ebben 22 neutron van.

22 meg 19 az 41.

Ez teszi ki a bolygónkon található kálium 6,7%-át.

Ezek mellett létezik
egy nagyon ritka káliumizotóp is,

amelyet kálium-40-nek nevezünk.

A kálium-40 neutronszáma ugyebár 21.

Ez az izotóp nagyon-nagyon ritka.

Az összes káliumnak
csupán 0,00117%-át képezi.

De egyben ez az a káliumizotóp,

amely érdekes a számunkra,
mert felhasználható

az idős, elsősorban vulkanikus
kőzetek kormeghatározására.

Látni fogjuk, hogy
e kőzetek korát megismerve

meghatározhatjuk más típusú kőzetek
vagy egyéb kövületek korát,

amelyek idős vulkanikus kőzetek közé rétegződtek.

A legérdekesebb dolog
a kálium-40-et illetően az,

hogy a felezési ideje 1,25 milliárd év.

Ennek az az előnye, hogy ellentétben
például a szén-14-gyel,

igen-igen régi tárgyak korának meghatározására is alkalmas.

1,25 milliárd évenként –

– így jelölöm a felezési idejét –

– bármely adott mintának a fele elbomlik.

11%-a átalakul argon-40 izotóppá.

Ez itt az argon.

18 protonja van.

Az argon-40 izotóppá való átalakulása során

a káliumatom elveszített egy protont,

de a tömegszáma változatlan maradt.

Az egyik proton tehát
valahogyan átalakult neutronná.

Befogja az egyik belső elektront,

majd kibocsát ezt-azt,

aminek a kvantumfizikai részleteiben
nem fogok elmélyedni,

de végül átalakul argon-40 izotóppá,

a másik 89% pedig kalcium-40 izotóppá.

A kalcium pedig, amint azt
a periódusos rendszerben is látjuk,

20 protont tartalmaz.

Ebben az esetben tehát
az egyik neutron átalakul protonná,

ebben az esetben pedig
az egyik proton alakul át neutronná.

A mi számunkra pedig
ez a részlet a legérdekesebb.

Mivel az argon,
amint arról a kémia videókban is szó esett,

az argon egy közömbös nemesgáz.

Így ha belekerül valamilyen folyadékba,

egyszerűen csak kibuborékol belőle.

Semmihez sem kötődik,
így egyszerűen csak kipezseg,

és elillan a légkörbe.

Az egészben az elképzelhető
legérdekesebb rész az,

ami a vulkánkitörések során történik.

Iderajzolok egy vulkánt.

Mondjuk, hogy ez itt egy vulkán.

Valamikor a múltban kitört.

Itt hömpölyög a láva,

amely kálium-40 izotópot is tartalmaz.

Valójában már ekkor is van benne
némi argon-40 izotóp.

Az argon-40 azonban képes arra,

hogy a még folyékony lávából...

...képzeljük ide a lávát alkotó
sokféle anyagot, és közöttük

a kálium-40-et – ezt olyan színnel jelölöm,
amilyet még nem használtam.

Legyen a kálium-40 rózsaszínű.

Szóval van benne némi kálium-40.

Talán kicsit túl sok is lett.

Ez egy nagyon ritka izotóp.

De van benne valamennyi kálium-40,

és már ekkor is lehet benne némi argon-40.

Ám az argon-40 egy nemesgáz,

semmivel nem alakít ki kötést.

És miközben a láva még folyékony,

ki tud belőle buborékolni.

Egyszerűen feljut a felszínre,
mivel nem létesít kötéseket,

és csak úgy elpárolog.

Nem ez a jó szó.

Egyszerűen kibuborékol,

mert semmihez sem kötődik,

és elillan a még mindig folyékony anyagból.

A legérdekesebb pedig az,

hogy mivel a vulkán kitörésekor

az argon-40 elillan,

mire ez a láva vulkáni kőzetté szilárdul,

– ezt egy másik színnel jelölöm –

Tehát mire vulkáni kőzetté szilárdul,

addigra az összes argon-40 eltávozik.

Semennyi sem marad belőle.

Vagyis a vulkanikus folyamat során

az olvadt kőzet argon-40 tartalma
teljesen elvész.

Így csak kálium-40 marad.

Ezért érdekesebb az argon-40,

mert a kalcium-40 nem tűnik el,

illetve egyébként is
maradhat belőle valamennyi,

tehát nem feltétlenül távozik el.

De az argon-40-ből semennyi sem marad.

A vulkanikus folyamat nullára csökkenti
az argon-40 mennyiségét.

Ezt követően tehát

semennyi argon-40 nem maradhat

a megszilárduló lávában.

Ha az események filmjét előrepörgetjük,

és megvizsgáljuk ezt a mintát,
– ezt idemásolom –

Tehát ha a jövőbe érkezve

azt látjuk, hogy ez a minta
argon-40-et tartalmaz,

akkor az biztosan egy vulkáni kőzet.

Biztos, hogy egy korábbi
vulkanikus folyamat erdeménye.

Ez az argon-40 csakis

a lebomlott kálium-40-ből keletkezhetett.

És csakis a vulkanikus esemény után,

mivel ha előtte is ott lett volna,
akkor elillant volna.

Az egyetlen mód arra,
hogy a gáz a kőben maradjon,

az, hogy míg a kőzet folyékony volt,
addig távozhatott,

de amint a kő megszilárdult,
a gáz csapdába esett a belsejében.

Tehát az argon-40 jelenléte csakis

a kálium-40 bomlásának eredménye.

Lássuk az arányokat.

Tudjuk, hogy minden egyes argon-40 esetében –

– mivel a bomlástermékeknek
csak 11%-a argon-40 –

– minden egyes argon keletkezése során

nagyjából 9 kalcium-40 is keletkezik.

Azaz minden egyes argon-40 keletkezéséhez

eredetileg 10 kálium-40-nek
kellett lebomlania.

Tehát ha a kálium-40 jelenlegi arányát
összevetjük az eredetivel,

ennek az összefüggésnek az alapján
meghatározhatjuk a korát.

A következő videóban a számítással együtt

bemutatom a kormeghatározást.

Ez azért hasznos,
mert az arányok alapján...

Vulkánkitörések ugyebár
nem történnek minden nap,

de sok-sok millió éves időskálán vizsgálva

viszonylag gyakoriak.

Ássunk tehát a mélybe.

Mondjuk ez itt a talaj.

Ha elég mélyre ásunk, rábukkanhatunk
egy vulkanikus esemény nyomára,

vulkanikus kőzetekre.

Ha még mélyebbre ásunk,

újabb vulkanikus kőzetrétegre bukkanhatunk.

Ez egy újabb réteg vulkanikus kőzet, amelyik...

Mindegyik tartalmaz
valamennyi kálium-40-et.

Ebben is van valamennyi kálium-40.

Mondjuk, hogy ebben
valamivel több argon-40 van,

ebben pedig kicsivel kevesebb.

A következő videóban sorra kerülő
számításokkal élve

megállapíthatjuk, hogy ez a minta –

– a felezési idő és a megmaradt argon-40 mennyisége alapján

vagy megfordítva: az eredetiből megmaradt
kálium-40 mennyisége alapján –

– ez a minta 100 millió éve szilárdult meg,

100 millió évvel a jelenkor előtt.

Ez a réteg pedig

mondjuk 150 millió évvel ezelőtt.

Tegyük fel, hogy szerencsére

ez a réteg háborítatlan maradt.

Ez a talajminta érintetlennek tűnik.

Tegyük fel, hogy találunk benne
néhány kövületet.

Ekkor, még ha a szén-14 módszert
nem is használhatjuk,

mivel 50 ezer évnél régebbi mintákkal van dolgunk,

látható, hogy e kövületek kora
a két réteg kora közé esik.

Ez egész jó támpont.

Feltéve, hogy ezt a réteget
nem bolygatták meg,

ennek a kövületnek a kora 100 millió év

és 150 millió év közé esik.

Először ez történt,

aztán lerakódtak ezek a kövületek,

ezek az állatok elpusztultak, persze előbb valamennyit éltek,

Ezután következett
a második vulkáni esemény.

Így, bár közvetlenül csak a
vulkáni kőzet kora határozható meg,

a rétegekhez viszonyítva meghatározható

a közöttük fekvő tárgyak kora.

Mindez tehát nemcsak
a vulkáni kőzetekről szól.

Ezzel határozható meg a nagyon-nagyon régi maradványok kora.

Időben távolabbra tekinthetünk vissza,
mint a szén-14 kormeghatározás alapján.