Ekspertniveau: Uran-til-bly datering

Ved hjælp af radioaktivt henfald af uran kan forskerne fra STARPLAN-laboratoriet finde frem til alderen på meteorit- og Måne-prøver med meget stor præcision

Når mineraler dannes fra smeltet sten (magma), der størkner, kommer der altid en god blanding af grundstoffer med. Også af de mere sjældne, for eksempel uran, bare i meget lav koncentration. Det er imidlertid denne lille smule uran, forskere som James Connelly og andre geologer kan bruge til at måle, hvornår stenen blev dannet, altså stenens alder. Uran er nemlig et radioaktivt grundstof, hvilket vil sige, at dets kerne har en ustabil sammensætning af protoner og neutroner.

Hvad er isotoper?
De enkelte grundstoffer findes i flere forskellige udgaver, hvor antallet af protoner i kernen er ens, men antallet af neutroner er forskellige. Der er altså tale om det samme grundstof, men blot med lidt forskellig masse. Lidt ligesom kløver-planten oftest har trekløvere, men også kan have firkløvere, som tilhører samme plante.

Uranatomerne vil forsøge at opnå stabilitet i kernen ved at justere antallet af neutroner overfor protoner, og det gøres ved at udsende radioaktiv stråling, hvilket også kaldes at henfalde. Radioaktive grundstoffer følger altid en særlig henfalds’sti’, hvor de går fra det oprindelige grundstof til et stabilt grundstof, hvor de så er ’tilfredse’ og stopper med at henfalde. For uran er denne stabile endestation bly. Henfaldsprocessen tager altid lige lang tid, og forskerne taler om stoffets ’halveringstid’ (T_1/2). Forskerne måler så forholdet mellem henfaldet bly og oprindeligt bly i stenen og regner ud, hvor lang tid det har taget for den mængde at blive omdannet fra uran.

To slags uran og bly

Der er imidlertid to slags radioaktiv uran (isotoper). Den, der er mest af, U²³⁸ med 92 protoner og 146 neutroner i kernen (masse på 238), og den, der er mindst af, med 92 protoner og 143 neutroner, U²³⁵. De har forskellige halveringstider og henfalder til to forskellige isotoper af bly (hhv. Pb²⁰⁶ og Pb²⁰⁷). Grafen herunder viser henfald og halveringstid for U²³⁵.

Den har en halveringstid på 703 mio. år, hvilket betyder, at efter 703 mio. år vil halvdelen af den oprindelige mængde U²³⁵ være omdannet til bly af typen Pb²⁰⁷. Efter endnu 703 mio. år er den mængde igen halveret og så fremdeles. For U²³⁸ går halveringen væsentligt langsommere, hele 4,4 mia. år.

Man kunne så tro, at det gjorde det sværere at udregne alderen på stenen. Heldigvis gør det faktisk, at man ved at kombinere de to henfaldstider kan få en endnu mere præcis alder. Forskerne i bl.a. STARPLAN-laboratoriet kan nemlig bruge forholdet mellem de to slags uran og de to slags bly (ratioen) og ret simpelt plotte dem ind i en ligning:

Når de kender de to ratioer, vil den eneste ukendte faktor tilbage være tiden, det har taget at opnå de to forhold. Den kan isoleres, så man får den værdi, den må være, for at opnå de to ratioer, og dermed har man en meget præcis alder.

Læs også: Månens alder blev målt i København

Da James Connelly og kollegerne udregnede solsystemets alder til 4,567 mia. år, brugte de denne metode og fik en usikkerhed på 270.000 år. Meget lidt, når det handler om milliarder af år.

Datering trin for trin

Knusning
Forskerne identificerer den del af stenen, der skal dateres, og skærer en prøve, der sommetider knuses.

Syre
Prøven kommes i en beholder med først ret svag syre og derefter i stærkere og stærkere syre. Det gør man, fordi stenen ofte vil være forurenet med bly fra Jordens miljø, idet bly fra de foregående årtiers blybenzin har skabt unaturligt høje blykoncentrationer. Der kan også være bly i stenen, som ikke er kommet ved henfald, men bare var der fra starten. Det vil man også gerne have fjernet, så man kun måler på det bly, der er dannet via henfaldet uran, som er det, der viser alderen. Det smarte er, at blyet fra det radioaktive henfald er mere modstandsdygtigt overfor stærk syre end de
to andre slags. Når man udsætter prøven for tiltagende stærke syrer, vil man derfor få fjernet mere og mere af det og stå tilbage med mere eller mindre rent radioaktivitets-bly i stenen.

Kemisk adskillelse
Prøven bliver nu separeret i enkelte grundstoffer, blandt andet ved hjælp af opløsning med mere syre.

Massespektrometer
Alle prøvens tilbageværende blyatomer er nu samlet i én opløsning, som tages videre til et massespektrometer. Det er en maskine, der kan dele prøven op i forskellige isotoper, blandt andet ved hjælp af stærk magnetisme. Nu kan forskerne så aflæse på en graf, hvor stor en del af blyet i
prøven, der var hhv. Pb206 og Pb207. Den ratio kan kommes ind i ligningen herunder, sammen med forholdet mellem de to uranisotoper, som man typisk kender i forvejen. Eneste ukendte variabel tilbage er t, altså tiden, som er stenens alder, og dermed den tid, det har taget at opnå det præcise forhold mellem isotoperne via det radioaktive henfald.