الكواكب الداخلية (١٠)

يرتكز درس التأريخ المطلق والأدوات الأخرى على قياس الزمن الحقيقي للبحيرات والأحداث الجيولوجية بالأرقام وليس بالمقارنة النسبية وحدها. الفكرة الأساسية تقوم على استغلال الانحلال الإشعاعي للنظائر المشعة مثل يورانيوم-238 الذي يتحلل بمعدل ثابت لا يتأثر بالضغط أو الحرارة ليتحول إلى رصاص-206 عبر عمر النصف، وهو الزمن اللازم لتحلل نصف ذرات النظير المشع. كما يستعمل العلماء طرائق أخرى مساعدة مثل حلقات الأشجار السنوية وعينات الجليد الأسطوانية والرقائق الجليدية لتحديد الأعمار الحديثة بدقة. مثال سريع: إذا بدأت عينة بعمر نصف واحد وبقي منها rac{1}{2} النظير المشع وتكون rac{1}{2} النظير الثابت، فهذا يعني مرور فترة عمر نصف واحدة.

الفكرة الأساسية

يعتمد هذا الدرس على معرفة الأعمار الحقيقية للصخور والأحداث الجيولوجية بالأرقام الدقيقة عبر قياس التغيرات الفيزيائية والكيميائية المنتظمة بمرور الزمن مثل الانحلال الإشعاعي للنظائر المشعة في المعادن، أو عبر عد الحلقات السنوية للأشجار وعينات الجليد الأسطوانية والرقائق الرسوبية.

الشرح

انظر إلى طريقة التأريخ المطلق absolute age dating؛ فهي طريقة تقارن الأحداث الجيولوجية بناء على ترتيب الطبقات ولكنها تحدد العمر بدقة بالأرقام. يعتمد الانحلال الإشعاعي radioactive decay على أن النظير المشع الأصلي يتغير تدريجياً إلى عنصر مختلف نسميه النظير الثابت بمعدل ثابت. مثلاً يورانيوم-238 يتحلل إلى رصاص-206 $ext{(Pb-206)}$ في فترة زمنية محددة. يقيس العلماء الجسيمات المشعة وما ينتج عنها من نظائر عبر الزمن.

هذا المعدل للإنحلاد الإشعاعي ثابت بغض النظر عن الضغط أو الحرارة أو أي متغيرات فيزيائية أخرى. ويقيس العلماء عمر النصف half-life وهو المدة الزمنية اللازمة لتحلل نصف ذرات النظير المشع. عندما يمضي عمر نصف واحد يبقى rac{1}{2} من النظير المشع وتكون النسبة بين النظيرين المشع والثابت هي $1:1$. وبعد مرور عمري نصف يتحلل نصف الـ rac{50}{ ext{100}} الباقية من النظير المشع لتصبح نسبة النظيري المشع والثابت هي $1:3$.

عندما تدرس الصخور النارية أو المتحولة تتفحص نسب النظائر المشعة إلى الثابتة في المعادن. ولتأريخ صخور مختلفة تستخدم نظائر ذات عمر نصف مناسب؛ فاليورانيوم-235 له عمر نصف يساوي $700$ مليون سنة لتأريخ صخور عمرها بضع عشرات ملايين السنين، بينما يورانيوم-238 له عمر نصف أطول لملايين السنين. أما الصخور الرسوبية الفتاتية فلا تصلح طريقة التأريخ الإشعاعي لتحديد أعمارها لأن معادنها تشكلت من صخور سابقة. كما يُستعمل التأريخ بالكربون المشع radiocarbon dating للكربون-14 $ext{(C-14)}$ لأن له عمراً أقصر لتحديد عمر المواد العضوية.

إلى جانب ذلك توجد طرائق أخرى لتحديد العمر المطلق مثل حلقات الأشجار tree rings التي تحوي سجلاً زمنياً في حلقات جذوعها، وعينات الجليد الأسطوانية ice cores التي تحوي فقاعات هواء وبطورات أكبر مقارنة بجليد الشتاء، والرقائق varves وهي الأزمّة المتعاقبة فاتحة اللون والقامة من رسوبيات الرمل والصلصال والغارين التي تمثل ترسبات موسمية في البحيرات.

مثال محلول خطوة بخطوة

إذا كانت عينة معدنية مكونة من بوتاسيوم-40 ونظير ثابت من الأرجون-40، وكان عمر النصف للبوتاسيوم-40 هو $1.3$ بليون سنة، وكانت نسبة الأرجون-40 الموجودة في العينة هي $25$ بالمئة، فما عمر هذه العينة؟ الخطوة الأولى: بما أن نسبة الأرجون-40 (النظير الثابت الناتج) هي $25$ بالمئة، فهذا يعني أن النسبة المئوية للنظير المشع الباقي هي $100$ ناقص $25$ وتساوي $75$ بالمئة؟ انتبه للمنحنى: عندما يصبح النظير المشع المتبقي $50$ بالمئة يكون قد مر عمر نصف واحد، وعندما يصل إلى $25$ بالمئة يكون قد مر عمرا نصف. الخطوة الثانية: نضرب عدد فترات عمر النصف في قيمة عمر النصف للبوتاسيوم-40. إذن العمر الإجمالي يساوي $2$ ضرب $1.3$ بليون سنة. الخطوة الثالثة: الناتج النهائي هو $2.6$ بليون سنة.

أخطاء شائعة

• الاعتقاد بأن الانحلال الإشعاعي يتأثر بالضغط أو الحرارة المحيطة بالصخر، والصحيح أن معدل الانحلال الإشعاعي ثابت لا يتغير.
• محاولة استخدام التأريخ الإشعاعي بشكل مباشر لتحديد أعمار الصخور الرسوبية الفتاتية، والصحيح أنه لا ينجح لأن معادنها تتكون بالأصل من صخور أقدم سابقة.
• الخلط بين عمر النصف والزمن الكلي لانحلال النظير بشكل كامل.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: لماذا لا تصلح طريقة التأريخ الإشعاعي في تحديد أعمار الصخور الرسوبية الفتاتية؟ الإجابة: لأن المعادن في الصخور الرسوبية الفتاتية قد تشكلت من صخور سابقة وليست وقت ترسب الطبقة نفسها.

السؤال الثاني: ما الفرق الأساسي بين استخدام يورانيوم-235 وكربون-14 من حيث تحديد العمر المطلق؟ الإجابة: يورانيوم-235 له عمر نصف طويل جداً يساوي $700$ مليون سنة ويستخدم لتأريخ الصخور القديمة جداً، بينما كربون-14 له عمر نصف قصير جداً ويستخدم لتحديد عمر المواد العضوية الحديث نسبياً.