قياس العمر إشعاعياً
هو طريقة لتقدير عمر المواد ومنها المستحثات أيضاَ وتسمى بالانكليزية ب Radiometric dating وتعني تحديد العمر بالطريقة الراديومترية (الاشعاعية), هذه الطريقة تعتمد على النشاط الإشعاعي للنظائر الطبيعية . هنالك طرق عديدة مختلفة للقيام بذلك وكل طريقة تستعمل نظام نظائري مختلف عن الأخرى وكل طريقة تختلف عن الأخرى في مستوى الدقة واتكاليف والمدة الزمنية التي يجب أن نرجع إلى الوراء لمعرفة عمر المادة .
النظائر
ذرات العنصر الكيمياوي يحتوي في نواتها على بروتونات، عدد هذه البروتونات يسمى بالعدد الذري وتحتوي نواة الذرة أيضا على النيو ترونات التي تحدد الكتلة الذرية للعنصر وأعدادها تختلف من ذرة لأخرى لنفس العنصر الكيمائي وتسمى هذه الذرات بالنظائر الكيمياوية لنفس العنصر وأصل كلمة نظير يعني نفس المكان كناية إلى أن النظائر المختلفة لعنصر معين تشغل نفس المكان في الجدول الدوري .
أي أن عدد البروتونات متساوية للنظائر المختلفة لعنصر معين وتختلف العناصر فقط في عدد النيوترونات.
النشاط الاشعاعي
كل نظير من نظائر العنصر الواحد لديه كتلة واستقرارية مختلفتين. بعض النظائر غير مستقرة أي انها في حالة مضطربه وفي اية لحظة يمكن أن تتحلل عن طريق السقوط الاشعاعي (تحرير الاشعاع). والنشاط الاشعاعي للعناصر تكون غالبا متكونا من دقائق ألفا (2 بروتون مع 2 نيوترون معاً) وكذلك من دقائق بيتا. تتكون المادة من عدد هائل جدا من الذرات وهناك اعداد معينة من أنوية الذرات تتحلل اشعاعيا وتوقيت حصول ذلك يمكن أن يحدث في اية لحظة. الذرات النشطة الموجودة في المادة تكون بعد مرور زمن معين قد اصابها التحلل الاشعاعي. وهذا يعتمد على مدى قلقية (عدم استقرارية) تلك الذرات. وهذه الاستقرارية يمكن تعريفها وقياسها تحت مفهوم عمر النصف للنظائر العناصر. وعمر النصف هو الوقت اللازم لكي يتحلل نصف المادة اشعاعيا. وكل نظير من نظائر العناصر المختلفة له عمر نصف ثابت طبيعي معروف. معظم النظائر المشعة يتحلل في عدة خطوات (سلسلة متتابعة من التحلل) إلى عناصر مستقرة تسمى بعنصر البنت بينما النظائر الأصلية قبل التحلل تسمى بعناصر الأم. أي نظير يُستخدم في تحديد العمر الاشعاعي يجب أن يتراوح عمر نصفه من بضعة آلاف سنة إلى بضعة مليارات من السنين.
النظائر عبارة عن ساعات دقيقة
في أغلب الحالات يكون عمر النصف للنظائر معتمدا على خصائص الذرات المكونة لها والعوامل الخارجية لا تؤثر عليها مثل درجة الحرارة والضغط والوسط الكيمياوي المتواجد فيه والحقول المغناطيسية والكهربية. بالإضافة إلى ذلك فان عمر النصف للنظائر لا يتغير حسب الوقت بل هو قيمة ثابتة طبيعيا. لكن النشاط الاشعاعي الذري يمكن أن يؤثر على عمر النصف للنظائر لكن لحسن الحظ لو حصل ذلك لعرفنا ذلك بسهولة لأن ذلك يترك وراءه أثر الاشعاع. لذلك الزمن اللازم لتحول عنصر الأم إلى عنصر البنت يمكن اعتباره ساعة ذرية دقيقة. وهو الزمن العابر عندما تشكل عنصر الأم في المادة المعينة إلى وقتنا الحالي. منوعات شهد الصحن .
وجود النظائر في المواد
عندما تتون مادة معينة فانها تتشكل فقط من عناصر الأم فليس فيها عناصر البنت. وعندما نفحص المواد لمعرفة عمرها نرى فيها عناصر بنت وأم، فعناصر البنت قد تشكلت من عناصر الام بعد حصول التحلل الاشعاعي كما وضحت أعلاه. عندما تتشكل مادة ما فأنها تمنع عناصر البنت من التسرب إليها نتيجة حصول تسخن كبير جدا لها وعناصر البنت التي تتشكل على المر الزمن سوف تتلاشى بواسطة الانتشار بسبب فرق التركيز Diffusion عندها تكون الساعة النووية قد تم تصفيرها. ودرجة الحرارة التي عندها تحصل هذه العملية تسمى بدرجة الحرارة الكابحة. ودرجة الحرارة هذه تختلف باختلاف المادة.
معادلة حساب العمر
عندما تتحلل عناصر الأم غير المستقرة إلى عناصر البنت المستقرة فأن معادلة حساب العمر يربط التحلل الاشعاعي بالزمن الجيولوجي:
وفيها
t= عمر المادة
D= تركيز نظائر البنت
P= تركيز نظائر الأم
λ = ثابت التحلل لنظير الأم
ln= اللوغاريثم الطبيعي
ثابت التحلل λ هو ذلك الجزء من ذرات عنصر الأم التي تتحلل في وحدة الزمن ويتناسب عكسيا مع عمر النصف
وفيها
t1 / 2 = عمر النصف لعنصر الأم.
شروط ينبغي توفرها للحصول على تحديد عمر جيد
ليس في كل الحالات تستطيع المادة عند تكوينها أن تأخذ عناصر الأم لوحدها فعادة تأخذ أيضا بعض عناصر البنت وفي هذه الحالة يجب علينا أن نفرض مسبقا قيمة نسبة تركيز عناصر البنت إلى تركيز عناصر الأم عندما تكوّنت المادة. يجب أن تكون عناصر البنت غير غازية لأنها تتسرب من المادة بسهولة, وعناصر البنت يجب أن تكون مستقرة بشكل يكفي لنا أن نقيس تراكيز عالية منها في المادة. بالإضافة إلى ذلك يجب على عناصر البنت والأم أن لا تكوّنا مواد فعّآلة كيماوية والتي تتفاعل بشكل نشط جدا داخل المادة. وكذلك يجب أن لا تحتوي المادة على كمية كبيرة من عناصر بنت أخرى نشأت من التحلل الاشعاعي لعناصر أم أخرى. وأخيرا يجب أن تكون طريقة عزل وفحص وتحليل التراكيز واضحة وموثوقة بها. عند استعمال طريقة التماثل الزمني Isochron (وهي من أبسط الطرق لتحديد العمر اشعاعيا) فاننا لسنا بحاجة إلى معرفة نسبة تركيز عناصر البنت إلى تركيز عناصر الأم عنما تكوّنت المادة المراد قياس عمرها الآن.
جهاز قياس الطيف الكتلي
مطيافية الكتلة (بالإنجليزية: Mass spectrometry) هذا الجهاز يستعمل في تحديد شكل ونوعية وماهية النظائر والجزيئات وخلائط الكيمياوية والبيولوجية والتي تكون بمقادير صغيرة جدا قد تصل إلى جزء واحد من المليار للغرام الواحد.
الجهاز الذي يستعمل هذه الطريقة تم اختراعه في أربعينيات القرن الماضي، ومنذ خمسينيات القرن الماضي يُستعمل هذا الجهاز لتحديد عمر المواد اشعاعيا. يقوم هذا الجهاز بواسطة السخونة الشديدة بشحن مجموعة من الذرات بالأيونات ويتم استخلاص هذه الذرات المتأينة من النموذج ويتم فصل الكتلة والشحنة الكهربائية عن بعضها، عندها يتم قياس الأيونات بواسطة مجسات خاصة تسمى بكؤوس الفاراداي (بالإنجليزية: Faraday cup)، عندما تتعرض هذه الكؤوس للأيونات هذه فان ذلك يؤدي إلى توليد كهربائية ضعيفة ويتم قياس هذه الكهربائية بدقة وعندها وبواسطة هذه القيم المقاسة يتم معرفة كمية تراكيز العناصر أو النظائر المختلفة (عناصر الأم والبنت).
نسبة الخطأ أو الدقة في تحديد العمر اشعاعيا
على الرغم من أن طريقة تحديد العمر اشعاعيا هي طريقة دقيقة إلا أن هذه الدقة تعتمد أساساً على التكنولوجيا والطريقة المستعملة في القياس.
من الممكن ان تؤثر النقاط أدناه على دقة النتائج المحصلة:
تراكيز عناصر الأم والبنت عندما كانت المادة في مرحلة التكوّن؛
كمية عناصر الأم أو البنت التي تسربت من المادة، أو حتى التي أضيفت إلى المادة خلال عمرها؛
وجود نظائر معينة في النموذج والتي لها عدد الكتلي مساوي للعدد الكتلي لنظائر الأم والبنت يؤثر على دقة القياسات في جهاز قياس الطيف الكتلوي الآنف الذكر. في هذه الحالة يجب أن تُصحَح القياسات المأخوذة لتقليل تأثير العناصر الأخرى التي لها نفس الوزن (عدد الكتلة).
كذلك يمكن أن يتعرض جهاز قياس الطيف الكتلي للكثير من التأثيرات العرضية. هذا الجهاز يجب أن يكون مفرغا من الهواء vacuum أن جودة ونوعية التفريغ من أهم العوامل التي تؤثر على القياسات. إذا كان الفراغ vacuum في الجهاز غير كامل (وجود غازات) فأن الذرات المتأينة تُستقبل من قبل جزيئات هذه الغازات بدلاً من أن تستقبل في كؤوس فاراداي لقياسها.
كذلك جودة نوعية المستقبلات ذات تأثير كبير على دقة القياسات لكن الأجهزة الحالية الفائقة التقنية لها مستقبلات ذات نوعية ممتازة.
يمكن أن نرفع دقة قياس العمر بالاشعاع عن طريق أخذ عينات من أماكن مختلفة من النموذج المراد تقدير قِدَمه (عُمْره) لأنه إذا فرضنا أن جميع أجزاء العينة له نفس العمر فيجب منطقيا تعطي كافة القياسات نفس الزمن (العمر) isochron. يمكن مقارنة نتائج فحص نظامين نظائريين مع بعضهما في حالة تواجدهما معا في نفس العينة وذلك للتأكد من دقة القياسات.
دقة القياسات تعتمد أيضا على عمر النصف لعنصر الأم. فمثلا نظير كاربون المشع 14C لها عمر نصف أقل من 6000 سنة فليس من المعقول أن نستعمل 14C في تحديد عمر شيء يرجع قِدمه إلى 600 ألف سنة مثلا. لذلك في هذه الحالة يجب استمال أنظمة نظائرية أخرى. أن استعمال نظائر الكربون لتحديد أعمار أشياء ترجع إلى فترة من 1000 سنة إلى 50 ألف سنة قبل الآن يمكن أن يعطي نتائج دقيقة نسبيا.
الطرق المستعملة في تحديد العمر إشعاعياً
من أقدم الطرق المستعملة هي طريقة يورانيوم - رصاص لتحديد العمر، يُستعمل هذه الطريقة لتحديد عمر معدن الزركون (سليكات الزركونيوم) الذي عند تكوّنه يستبعد أخذ الرصاص بينما يأخذ تراكيز كبيرة من اليورانيوم. استعمال هذه الطريقة الآن يعطي نتائج فيها عدم دقة تصل إلى زائد ناقص 2 مليون سنة لشيء عمره 3 مليارات من السنين، هذه الطريقة تستعمل بكثرة في الداسات والفحوصات الجيولوجية. بما أن 235U تتحلل اشعاعيا إلى 207Pb وفي نفس الوقت 238U تتحلل إلى 206Pb فأن هذه الطريقة لها ميزة جيدة جدا باننا نحصل على نتيجتين يمكننا مقارنتهما مع بعض لمعرفة مدى دقة القياسات المأخوذة.
طريقة بوتاسيم - أرغون لتحديد العمر تستعمل طريقة تحلّل 40K إلى 40Ar. فنظير بوتاسيم المشع أربعين 40K له عمر نصف كبير جدا وتتواجد بكثرة في المايكات Mica وفيلدسبارات Feldspar وفي هورنبليندات Hornblende لكن من أهم مساويء هذه الطريقة هي أن ل 40K درجة حرارة كابحة منخفضة جداً.
طريقة روبيديوم - سترونتيوم لتحديد العمر اشعاعيا تستعمل تحلّل 87Rb إلى 87Sr الذي له عمر نصف كبير جدا ودرجة حرارة الكابحة لهذه الطريقة هي كبيرة نسبياً، لكن لأنّ عمر النصف له كبير جدا فأن القياسات تكون غير دقيقة.
طريقة تحديد العمر بواسطة الكربون اشعاعيا تستعمل تحلل 14C اشعاعيا الذي له نصف عمر قليل نسبيا لذلك نرى بأن هذه الطريقة من أشهر الطرق في تحديد عمر المواد في علم الآثار Archaeology.
طريقة أخرى لها أيضا عمر نصف قليل نسبيا هي طريقة يورانيوم - ثوريوم لتحديد العمر اشعاعيا وفيها تستعمل تحلّل 238U إلى 230Th وكذلك 235U إلى 231Pa (Protactinium).
طرق أخرى لتحديد عمر (قِدَم) المواد اشعاعياً:
ساماريوم - نيودايميوم؛
لوتيتيوم - هافنيوم؛
أرغون - أرغون؛
هيليوم؛
يورانيوم - يورانيوم؛
رصاص - رصاص؛
رهينيوم - ئوسميوم؛
يوديوم - كسينون؛
لانثانوم - باريوم.
استخدام أي نظام من أنظمة النظائر أعلاه لتحديد عمر (قِدَم) المواد تتوقف على العمر المتوقع للشيء المراد فحصه أو بالأحرى تحديد عمره. طريقة الكاربون المشع تستعمل لتحديد عمر أشياء تقدر عمرها بما لا يزيد عن بضع سنوات. أما للمواد التي تقدر عمرها بنحو بضع مليارات سنة (مثلا 3 إلى 4 مليارات سنة) فنستعمل غالبا طريقة يورانيوم - رصاص التي تطبق على معدن الزركون.
تسربت الكثير من 36Cl في طبقة الأتموسفير للكرة الأرضية نتيجة التجارب الأسلحة النووية في خمسينيات القرن المنصرم ولأن 36Cl له عمر نصف قصير جداً فأنها تستعمل لمعرفة المسافات التي تقطعها تكتلات المياه الجوفية لكن هذه الطريقة لا تدخل ضمن مفهوم تحديد العمر اشعاعيا.
تحديد الأعمار في التطبيقات الفلكية بواسطة النظائر المفقودة (المتحلّلة)
عندما كان كوننا يافعا كان مليئا بنظائر مشعة ذات عمر قصير جدا مثل النظائر 26Al و60Fe و53Mn و129I، هذه النظائر المنقرضة ربما تم إنتاجها خلال عملية الأنفجار العظيم، هذه النظائر المتحللة يمكن لحد الآن قياسها من خلال النيازك التي تسقط على الأرض ومن خلال هذه القياسات يتم معرفة تسلسل الأحداث خلال عملية تكوين المجرات.
الفصل الثامن - كيمياء النظائر المشعة- طبعة 2005
المُسْتَحَاثَات أو الأَحَافِير أو المُتَحَجِّرَات (باللاتينية: Fossile) (واحدتها المُسْتَحَاثَة أو الأُحْفُور أو الأُحْفُورَة أو المُتَحَجِّرَة) هي بقايا حيوان أو نبات محفوظة في الصخور أو مطمورة تحت تحللها خلال الأحقاب الزمنية. ويطلق علي علم الحفائر للإتسان والحيوان باليونتولوجي. والحفائر تظهر لنا أشكال الحياة بالأزمنة السحيقة وظروف معيشتها وحفظها خلال الحقب الجيولوجية المختلفة.ومعظم الحفائر للحيوانات والنباتات عاشت في الماء أو دفنت في الرمل أو الجليد. لكن الأسماك عادة لاتصبح حفائر، لأنها عندما تموت لاتغطس في قاع الماء. لهذا فإن حفائر الأسماك نادرة وقد تظهر علي الشواطيء نتيجة المد والجزر.
http://img98.imageshack.us/img98/7181/30299086lp4.jpg
ويعتبر الفحم الحجري حفائر للنباتات المتحجرة. ولا يبقي من الأسماك سوي الهيكل العظمي والأسنان وعظام الرأس. والإنسان والحيوانات لا يبقي منها سوي العظام والأسنان والجماجم. وقد تبقي لمدة ملايين السنين كالماموث والفيلة التي عثر عليها ضفة نهر التيمس. وقد تترك النباتات والحيوانات الرخوة بصماتها كالأعشاب والرخويات.
http://t1.gstatic.com/images?q=tbn:n...2520Eocene.JPG
وقد تحتفظ الثمار والبذور وحبوب اللقاح بهيئتها كثمار البلح التي وجدت في الطين بلندن. وأوراق النباتات قد تترك بصمات شكلها وعروقها مطبوعة لو سقطت فوق الطين الذي يجف بعدها.
ووجدت متحجرات في حمم البراكين أو في الصخور أو تحت طبقات الجبال والتلال والجليد. ومن الأحافير يمكن تحديد أصول وعمر الإ نسان والحيوان والنبات خلال الحقب التاريخية والجيولوجية التي تعاقبت فوق الأ رض.
http://st-takla.org/Pix/Plants-Trees...ect-Plants.jpg
الشروط اللازمة لحفظ الأحافير
أن يحتوي جسم الكائن على اجزاء صلبة كالأصداف والعظام
فالمواد الرخوة تتحلل إلا إذا صادفتها ظروف خاصة تساعد في حفظها كأن تدفن وتغطى مثلاً بالثلج أو تدفن في مواد إسفلتية أو صمغية .
أن يدفن الكائن سريعا
فيحفظه ذلك من المؤثرات الجوية التي تعمل على تفتيت اجزائه الصلبة وتلاشيها ولايحفظ الدفن السريع المادة الرخوة في المخلوق لأنها تتحلل وتبلى بفعل البكتريا
طرق حفظ الأحافير
الحفظ الكامل
http://www.qadeem.com/vb/attachment....4&d=1326377226
وهو حفظ الكائن كاملاً بجميع أجزائه الصلبة والرخوة، ويعتبر العثور على المخلوقات كاملة نادراً جداً لأن حفظها يحتاج إلى بيئات وظروف خاصة، وهذا النوع من الحفظ هام جداً لأنه يعطينا معلومات مهمة عن أجزاء الحيوانات اللحمية وتشريحها، ومن المخلوقات التي حفظت حفظاً كاملاً الماموث الصوفي في ثلوج سيبيريا، كما وجد وحيد القرن الصوفي محفوظاً في الطبقات الإسفلتية في أوروبا الشرقية وحفظت بعض الحشرات وحبيبات اللقاح في الصمغ النباتي (الكهرمان)
الحفظ بتغيير التركيب الأصلي
وهو الذي يحدث نتيجة تغير كيميائي في تركيب المادة الأصلية للمخلوق الحي ويتم بأحد الطرق التالية
التفحم
تتم هذه العملية بأن يتطاير الأكسجين والهيدروجين والنيتروجين الموجود في خلايا النبات وفي المواد القرنية الحيوانية ويتبقى عنصر الكربون بشكل فحم يمثل الشكل الأصلي. وغالباً ماتكون البيئة التي تحفظ فيها بقايا المخلوق عن طريق التفحم بيئة كيميائية مختزلة مثل بيئة المستنقعات.
التمعدن Permineralization
يحدث عندما تترسب الأملاح المعدنية الذائبة في الماء ككربونات الكالسيوم والسيليكا والبايرايت أو الجالينا في مسام الأصداف والعظام وبهذا تدعم هذه المواد العظام أو الأصداف وتزيد من كثاقتها وثقلها وقابليتها للحفظ مثل اصداف المحاريات والقنفذيات وعظام الديناصورات .
الإحلال Replacement
هو عملية إحلال معدن ثانوي محل المواد الأصلية للمخلوق ويتم ذلك عندما تتضاغط الرسوبيات تحت ضغط وزنها ببطء فتتحول إلى أحجار حيث يتسرب الماء من خلال حبيبات الراسب، ويكون هذا الماء عادة مشبعاً بالأملاح التي تعطيه قدرة على إذابة مادة الأحافير وإحلال المعادن محلها.
وعملية الإحلال هذه تتم بطريقة منتظمة مما يؤدي إلى حفظ الشكل الداخلي للبقايا الصلبة وتعرف هذه العملية بالإحلال الصادق وفي بعض الأحيان تتم عملية الإحلال بطريقة غير منتظمة فينتج حفظ الشكل الخارجي فقط بينما تضيع تفاصيل بنائها الداخلي تماماً وتعرف هذه العملية بالإحلال الكاذب.
الطبع Imprints
ربما تترك بعض الحيوانات طبعة اقدامها على المواد الرسوبية الطرية، وعندما تتصلد هذه الرواسب يحفظ الطبع كنوع من الأحافير .
آثار الحفر
تحفر بعض الحيوانات كالديدان في الرواسب الطرية جحوراً وممرات تمتلئ فيما بعد بالرواسب وعندما تتصلد هذه الرواسب تحفظ آثار الحفر كنوع من الأحافير وهذا النوع من الأحافير قد يكون هو الأثر الوحيد للحيوانات التي ليس لها هياكل صلبة مثل جحور الديدان.
القوالب والحشوات Molds & Casts
تتألف بعض الأحافير من تكون حشوات أو قوالب لهيكل الحيوان فعندما تدفن الصدفة تتحلل المادة اللحمية أولاً وتملأ الرواسب التجويف الداخلي للصدفة فتتكون الحشوة وعندما ينطبع شكل الصدفة على الرواسب المحيطة يتكون القالب.
وعندما تتصلد هذه الرواسب وتتحلل الصدفة تبقى القوالب والحشوات كأحافير.
فوائد دراسة الأحافير
تحديد العمر الجيولوجي للصخر الذي توجد فيه الأحافير.
التعرف على أنماط وأشكال الحياة القديمة وبيئاتها.
ساعدت الأحافير العلماء على تصنيف الحيوان والنبات.
زودت الباحثين بفكرة جلية عن المجموعات الحيوانية والنباتية المنقرضة التي ليس لها مثيلاً في المخلوقات الحية المعاصرة.
المساعدة في مضاهاة الوحدات الصخرية ومقارنتها ببعضها البعض.
تفيد في عمل الخرائط الجغرافية القديمة.
معرفة المناخ السائد في العصر الذي كان يعيش فيه المخلوق.
كما تفيد دراسة الأحافير في دراسة سطح اللاتوافق.
-------------
المصادر
كتاب الكيمياء لوليام وايت (جامعة كورنيل)
الموضوع منقول للافادة
