Το Ρολόι του Ουρανίου-Μολύβδου

Μπορούμε να περιγράψουμε αυτή τη μέθοδο χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του πρώτου ραδιενεργού ρολογιού που κατασκευάστηκε, εκείνου που βασίζεται στη διάσπαση του ουρανίου και τη μεταστοιχείωσή του σε μόλυβδο. Η ραδιενεργός διάσπαση ακολουθεί πάντοτε ένα νόμο των στατιστικών πιθανοτήτων. Η ποσότητα του ουρανίου που διασπάται στη διάρκεια μιας μονάδας χρόνου είναι πάντα ανάλογη με την ποσότητα που έχει απομείνει. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μια καμπύλη όπως αυτή του σχήματος (στη σελίδα 19), που δείχνει την ποσότητα που έχει απομείνει μετά το πέρασμα οσουδήποτε δεδομένου χρόνου. Ο χρόνος που χρειάζεται για να διασπαστεί μισή ποσότητα του ουρανίου, ονομάζεται «η ημιζωή του». Το μισό του υπόλοιπου μισού θα διασπαστεί στη διάρκεια της επόμενης ημιζωής, αφήνοντας πίσω του ένα τέταρτο της αρχικής ποσότητας. Μετά από τρεις ημιζωές, θα απομείνει το ένα όγδοο κ.ο.κ. Η ημιζωή του ουρανίου είναι 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια.

Αφού το ουράνιο μεταστοιχειώνεται σε μόλυβδο, η ποσότητα του μολύβδου αυξάνει συνεχώς. Η συγκεντρωμένη ποσότητα για οποιαδήποτε χρονική στιγμή δείχνεται από τη διακεκομμένη καμπύλη. Η καμπύλη του μολύβδου είναι το συμπλήρωμα της καμπύλης του ουρανίου, έτσι ώστε το άθροισμα των ατόμων του μολύβδου και των ατόμων του ουρανίου παραμένει πάντοτε ίδιο, δηλαδή ίσο με τον αριθμό με τον οποίο ξεκινήσαμε.

Τώρα, ας υποθέσουμε ότι έχουμε μια πέτρα που περιέχει ουράνιο, αλλά καθόλου μόλυβδο, και τη σφραγίζουμε ερμητικά ώστε τίποτα να μην μπορεί να εισχωρήσει, αλλά ούτε και να βγει από την πέτρα. Κατόπιν όταν θα έχει περάσει λίγος καιρός, τη βγάζουμε και μετρούμε τις ποσότητες και των δυο στοιχείων. Από τη μέτρηση αυτή μπορούμε να πούμε πόσο χρόνο η πέτρα ήταν σφραγισμένη. Για παράδειγμα, αν βρούμε ίσες ποσότητες μολύβδου και ουρανίου, τότε γνωρίζουμε ότι έχει περάσει μια ημιζωή, δηλαδή 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Αν βρούμε ότι μόνο το 1 τοις εκατό του ουρανίου έχει μεταστοιχειωθεί σε μόλυβδο θα χρησιμοποιήσουμε τη μαθηματική εξίσωση για την καμπύλη και θα υπολογίσουμε ότι έχουν περάσει 65 εκατομμύρια χρόνια.

Παρατηρήστε ότι δεν χρειάζεται να γνωρίζουμε πόσο ουράνιο υπήρχε αρχικά στην πέτρα επειδή το μόνο που χρειάζεται να κάνουμε είναι να μετρήσουμε την αναλογία του μολύβδου προς το ουράνιο στο τέλος της χρονικής περιόδου—πράγμα που είναι πολύ καλό γιατί κανένας μας δεν ήταν παρών τότε για να μετρήσει κάτι στην αρχή του πειράματος.

Τώρα, ίσως σκεφθείτε ότι αυτά για τα οποία μιλάμε είναι τεράστια διαστήματα χρόνου, δηλαδή εκατομμύρια και δισεκατομμύρια χρόνια. Σε τι άραγε θα μας χρησίμευε ένα τόσο αργοκίνητο ρολόι; Πρώτα-πρώτα μαθαίνουμε ότι η γη έχει ηλικία μερικά δισεκατομμύρια χρόνια, και μετά, ότι υπάρχουν πετρώματα σε μερικά μέρη που βρίσκονται εκεί για ένα μεγάλο μέρος αυτού του χρόνου ήδη. Έτσι οι γεωλόγοι θεωρούν το ρολόι αυτού του είδους πολύ χρήσιμο για τις μελέτες τους γύρω από την ιστορία της γης.

Πόσο Βέβαιοι Είναι;

Πρέπει να παραδεχτούμε ότι τη διαδικασία της χρονολόγησης δεν είναι τόσο απλή όσο την περιγράψαμε. Αναφέραμε ότι η πέτρα πρέπει να είναι στην αρχή τελείως απαλλαγμένη από μόλυβδο. Αυτό δεν συμβαίνει συνήθως· υπάρχει στην αρχή κάποια ποσότητα μολύβδου. Αυτό προσδίδει στην πέτρα μια αρχική τιμή ηλικίας και έτσι δεν ξεκινάει από το μηδέν. Επίσης, υποθέσαμε ότι το ουράνιο ήταν ερμητικά κλεισμένο στην πέτρα ώστε τίποτε να μην μπορεί ούτε να εισχωρήσει ούτε να βγει από αυτήν. Αυτό μπορεί να αληθεύει μερικές φορές, αλλά όχι πάντα. Με το πέρασμα των αιώνων, μια ποσότητα μολύβδου ή ουρανίου μπορεί να παρασυρθεί από τα υπόγεια νερά. Ή μπορεί να εισχωρήσει περισσότερο ουράνιο ή μόλυβδος, και ειδικά αν το πέτρωμα είναι ιζηματογενές. Για το λόγο αυτό, το ρολόι ουρανίου-μολύβδου δουλεύει καλύτερα σε πυριγενή πετρώματα.

Άλλες επιπλοκές μπορούν να παρουσιαστούν εξαιτίας του γεγονότος ότι ένα άλλο στοιχείο, το θόριο, που μπορεί να υπάρχει στο ίδιο ορυκτό, είναι και αυτό ραδιενεργό και αποσυντίθεται με βραδύ ρυθμό μετατρεπόμενο σε μόλυβδο. Εκτός από αυτά, το ουράνιο έχει και δεύτερο ισότοπο—που χημικά είναι το ίδιο στοιχείο, αλλά έχει διαφορετική μάζα—το οποίο διασπάται με διαφορετική ταχύτητα και μετατρέπεται κι αυτό σε μόλυβδο. Το καθένα από αυτά καταλήγει να γίνει ένα διαφορετικό ισότοπο του μολύβδου, και έτσι χρειαζόμαστε, όχι μόνο χημικό με τους δοκιμαστικούς σωλήνες του, αλλά και έναν φυσικό με τα ειδικά όργανά του για να διαχωρίσει τα διάφορα ισότοπα, δηλαδή τα είδη του μολύβδου που έχουν διαφορετική μάζα.

Χωρίς να μπούμε στις λεπτομέρειες των προβλημάτων αυτών, μπορούμε να καταλάβουμε ότι οι γεωλόγοι που χρησιμοποιούν το ρολόι ουρανίου-μολύβδου χρειάζεται να προσέχουν μερικές παγίδες αν θέλουν να λάβουν μια σε λογικό βαθμό αξιόπιστη απάντηση. Χαίρονται που έχουν και άλλες μεθόδους ραδιομέτρησης για να επαληθεύουν τις χρονολογήσεις τους. Δυο άλλες έχουν αναπτυχθεί και μπορούν και αυτές να χρησιμοποιηθούν για το ίδιο πέτρωμα.

[Γράφημα στη σελίδα 19]

(Για το πλήρως μορφοποιημένο κείμενο, βλέπε έντυπο)

Η ελάττωση του ουρανίου είναι ευθέως ανάλογη προς την αύξηση του μολύβδου

100%

50%

25%

12.5%

Ημιζωές 1 2 3

μόλυβδος (αργόν)

(κάλιο) ουράνιο

[Διάγραμμα στη σελίδα 18]

(Για το πλήρως μορφοποιημένο κείμενο, βλέπε έντυπο)

Ουράνιο

Μόλυβδος

Πόσο ουράνιο (ή μόλυβδο) είχε αυτή η πέτρα αρχικά;

Πόσο ουράνιο (ή μόλυβδος) εισχώρησε στην πέτρα αργότερα;

Πόσος μόλυβδος παράχθηκε από τη διάσπαση του θορίου;