Чтобы провести радиоизотопное датирование, ученые оценивают концентрацию изотопов в материале. Количество протонов в атоме определяет, какой это элемент, а количество нейтронов определяет, какой это изотоп. Например, стронций-86 имеет 38 протонов и 48 нейтронов, тогда как стронций-87 имеет 38 протонов и 49 нейтронов. Радиоактивные элементы, такие как рубидий-87 (но не стронций-86 или стронций-87), со временем распадаются.
Оценивая концентрации всех этих изотопов в образце горной породы, ученые могут определить, каким был его первоначальный состав из стронция и рубидия. Затем, оценивая концентрацию изотопов рубидия и стронция, ученые могут произвести обратный расчет, чтобы определить, когда образовалась порода.
Упомянутые три изотопа могут быть использованы для датировки горных пород и метеоритов; метод обычно лучше всего работает с магматическими породами.
Но это не совсем так просто. Данные радиоизотопного анализа имеют тенденцию к некоторому разбросу. Итак, исследователи «нормализуют» данные, создавая соотношение со стронцием-86, которое является стабильным, то есть не распадается с течением времени.
Разделение концентраций изотопов всех форм стронция и рубидия на концентрацию изотопов стронция-86 дает так называемую «изохрону»."Затем изохрону вставляют в модель, которая использует ее для преобразования общих радиоизотопных данных в четкую линейную функцию. Эта функция может сообщить исследователям, сколько лет пробе. Или это должно.
Но в этом процессе есть морщинка, которую не заметили.
Считается, что на соотношение стронция-86 к рубидию и стронцию-87 влияет только радиоактивный распад рубидия-87 на стронций-87. Текущая модель радиоизотопного датирования основана на этой идее.
Но эта модель не учитывает дифференциальную диффузию массы – тенденцию разных атомов диффундировать через материал с разной скоростью. А атомы стронция-86 могут диффундировать легче, чем атомы стронция-87 или рубидия, просто потому, что атомы стронция-86 меньше.
«Это медленный процесс, но не обязательно незначительный, когда вы говорите о геологических временных масштабах», – говорит Роберт Хейс, доцент ядерной инженерии в штате Северная Каролина и автор статьи с описанием работы.
«Скорость диффузии будет варьироваться в зависимости от образца – типа породы, количества трещин и площади поверхности, и так далее», – говорит Хейс. "Итак, не существует простого уравнения, которое можно применить к любым обстоятельствам.
Исследователям необходимо будет индивидуально оценить образцы, а затем соответствующим образом применить соответствующую физику.
«Это боль в шее, но это значительно повысит точность наших оценок», – говорит Хейс. "Если мы не принимаем во внимание дифференциальную диффузию массы, мы действительно понятия не имеем, насколько точна дата радиоизотопа. Стоит отметить, что поднятые здесь вопросы не относятся к датированию по углероду, в котором не используются изотопные отношения."