Kálium-argon (K-Ar) kormeghatározás

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 káliumatomban 19 proton van, amit így jelölhetünk. Ez így kissé túl van magyarázva. Tudjuk, hogy ha ez káliumatom, akkor 19 protonja van. És tudjuk, hogy ha egy atomban 19 proton van, akkor az káliumatom. Azt is tudjuk, hogy egy adott elem 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 káliumatomnak 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 0,0117%-át képezi. De egyben ez az a káliumizotóp, amelyik érdekes a számunkra, mert felhasználható a nagyon idős, elsősorban régi vulkanikus kőzetek kormeghatározására. Látni fogjuk, hogy e kőzetek korát megismerve meghatározhatjuk más típusú kőzetek vagy egyéb kövületek korát, amelyek régi 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 dolgok korának meghatározására 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 valahogy neutronná átalakult. 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 protonná alakul, ebben az esetben pedig az egyik proton neutronná alakul. Ez az a rész, ami nekünk igazán érdekes. Mivel amitől izgalmas az argon, amint arról már a kémia videókban is szó esett, hogy ez egy közömbös nemesgáz, nem lép reakcióba. Így ha belekerül valamilyen folyadékba, egyszerűen csak kibuborékol belőle. Semmihez sem kötődik, így egyszerűen csak kipezseg, és elillan a légkörbe. Az egészben az a legérdekesebb, 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 lila színű. 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, valahogy így. Ám az argon-40 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 a megolvadó 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 elszökik. A vulkanikus folyamat nullára csökkenti az argon-40 mennyiségét. Ezt követően tehát semennyi argon-40 nem maradhat a megszilárduló lávában. Ha előreugrunk egy jövőbeli időponthoz, és megvizsgáljuk ezt a mintát, – ezt idemásolom – tehát ha előreugrunk az időben, és azt látjuk, hogy ez a minta tartalmaz valamennyi argon-40-et, akkor az biztosan vulkáni kőzet. Biztos, hogy egy korábbi vulkanikus folyamat eredménye. Ugyanis ez az argon-40 csakis a kálium-40 bomlásából 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 számításon keresztül be is mutatom a kormeghatározást. Ez azért hasznos, mert az arányok alapján... Vulkánkitörés ugyebár nem történik 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 számítások segítségével 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.