Prof. Dr. Niyazi MERİÇ Ankara Üniversitesi Nükleer Bilimler Enstitüsü.

Transkript

1 Prof. Dr. Niyazi MERİÇ Ankara Üniversitesi Nükleer Bilimler Enstitüsü

2 2 Çeşit Yaşlandırma Tekniği Var Göreceli (Relative dating ) Yaşlandırma: Bir bilgiyi diğer bir bilgi ile kıyaslayarak yapılan yaşlandırma. Mutlak (Absolute dating ) Yaşlandırma: Numunenin fiziksel veya kimyasal özelliklerini kullanılarak yapılan sayısal yaşlandırma.

3 Mutlak Yaşlandırma 1 - C Potasyum Argon 3- Uranyum Serileri 4 - Fizyon İzleri 5- Lüminesans Yöntemler 6- Elektron Spin Rezonans (ESR) Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 3

4 1 - Karbon larda C 14 ün parçalanması sonucu ortaya çıkan betaları Geiger dedektörü ile ölçen Willard F. Libby tarafından geliştirildi. 14 C 14 N + β + neutrino

5 Atom Proton (pozitiv yük) Nötron (yüksüz) Elektron (negativ yük) Çekirdek Elektron

6 Çekirdekte protonun sayısı nötrona eşitse atom genelde kararlıdır Atom (Isotope) Protons Neutrons Kararlı Karbon 6 6 Kararlı Nitrojen 7 7 Kararlı Oksijen 8 8 Karbon

7 Radyoaktive parçalanma Proton sayısı (atom numarası) değişiyor Bu ne kadar zaman alır? 5,730 yıl

8 1 - Karbon-14 Kozmik radyasyon Atmosferde üretilen Karbon-14 Tekrar Nitrojen-14 e bozunuyor Bu ne kadar zaman alır? 5,730 yıl

9 Karbon-14 Nasıl Üretiliyor Kosmic ışınlar (radyasyon) Atmosferle N-14 ile çarpışma C-14 C-14 oksijenle birleşerek (CO 2 ) oluşuyor

10 Karbon-14 A 0 A = A 0 e -λt λ = / 5730 yıl -1 A 14 C radyoaktif olmasına karşın 12 C kararlı bir izotoptur. Organizma yaşarken aralarındaki oran bir trilyonda bir mertebesindedir. Ölüm gerçekleştikten sonra bu oran değişir. C-14 C-14 C-14 Ölçülemiyor C-12 C-12 C-12 Oran sabit Miktar sabit Miktar sabit Ölüm Anı Yaşlı 8x5,730 = yıl

11 Ölçme Beta ışıması sayımı Beta sayımı, belli bir zaman periyodunda 14 C atomlarından β ışımasının ölçülmesi. hızlandırılmış kütle spektrometresi (AMS) Hızlandırılmış kütle spektrometreleri 14 C ün kararlı diğer karbon izotoplarına ( 13 C ya da 12 C) oranını belirler ve böylece 14 C miktarı ve dolayısıyla yaş, bu oranın bilinen standartlarla kıyaslanmasıyla elde edilir.

12 Yöntemle ilgili kabuller: 1- Küresel karbon rezervuarının bütün bölümlerinde (atmosfer, biyosfer, tatlı ve tuzlu sular) 14 C/ 12 C oranı geçen zaman içerisinde sabit kalmıştır C tamamen ve hızlı bir şekilde küresel karbon rezervuarında karışmıştır. 3- Bir organizmanın ölümünden sonra bozuşan 14 C dışında, farklı karbon izotopları (ör. 13 C, 12 C) arasındaki oranlar değişmemiştir C ün yarılanma ömrü kesin olarak bilinmektedir C ün doğal düzeyi doğruluk ve kesinlik kavramları içinde isabetli bir şekilde ölçülebilmektedir (Taylor 2001).

13 Problemler Kirlenme: Analiz edilecek örneğe yaşlı ya da genç karbon ilavesidir. Radyokarbon tarihlendirmelerinde 14 C üretiminin uzun süreli değişimi: Atmosferik karbon-14 deki değişimler yerin manyetik alanı ya da güneş aktivitesinin yoğunluğundaki değişimlerden kaynaklandığı düşünülmektedir (Stuiver ve diğ., 1991). İnsan faktörü: Fosil yakıtlar yüzünden 250 yıldan daha fazla bir süredir atmosfere büyük miktarda 12 C salınmıştır (Houghton ve diğ. 2001). Dolayısıyla bu durum 14 C seviyesini oransal olarak seyreltmiştir.

14 Carbon-14 için Örnek Türleri Ağaç parçaları, bitki fosilleri Odun kömürü, turba Kurumuş bitkiler, organik göl çamuru Tahıl taneleri Dokuma parçaları Deri Hayvan ve deniz kabukları Kemik Yemek artıkları Yaş aralığı: kabaca yıla kadar olup günümüzde AMS yöntemiyle 1mg örnek analiz için yeterlidir.

15 2 - Potasyum Argon Potasyum yer kabuğunda en çok bulunan sekiz elementten birisidir. 40 K yarılanma süresi içerisinde 40 Ar a (Aldrich ve Nier 1948) ve 40 Ca a radyoaktif olarak bozuşur. Argon asal gaz olup diğer elementlerle bağ yapmaz. Potasyum ve Argon izotoplarının bolluk oranları 39 K = % Ar = % K = % Ar = % K = % Ar = % 0.337

16 Potasyum Argon 40 K un % 88.3 lük kısmı 40 Ca a dönüşmesine rağmen bozuşumdan gelecek olan az miktardaki 40 Ca ın artışını belirlemeyi mümkün kılmaz. Ayrıca kalsiyumun ergimiş kayaçtan difüzyon yapamaması ve dolayısıyla tarihlendirme yapabilmek için kayaçta başlangıçta mevcut izotop miktarının bilinmesi gerekliliğidir.

17 Yöntemle ilgili kabuller ( i ) 40 K dan radyoaktif olarak bozuşan 40 Ar, mineralin oluşumundan analiz edilinceye kadar geçen sürede sistemde hapsolmuş ve dışarı çıkmamıştır. (ii) 40 Ar mineralin oluşumu esnasında ya da geç metamorfik olaylar esnasında dışardan sisteme 40 Ar alınmamıştır. (iii) Sistem mineralin yaşam süresi boyunca potasyuma da kapalıdır.

18 Ölçme Potasyum - Argon yönteminde numunenin potasyum içeriği atomik absorbsiyon ya da alev fotometresi yardımıyla ölçülür. Argon izotopları ise kütle spektrometresi yöntemiyle ölçülür. Radyoaktif 40 K ve kararlı 40 Ar arasındaki oran tespit edildiğinde kristal kafesinin kapanmasından bu yana geçen zaman tespit edilmiş olacakt

19 Potasyum Argon için örnek türleri Mikalar (ör. muskovit, biyotit, fengit, serisit) Feldspatlar (K-feldspat ve plajiyoklaz) Kil mineralleri (ör. illit, seladonit) Sülfatlar (ör. alunit, jarosit) Camlar (ör. obsidiyen, tektit, psödotakilit) Tüm kayalar (volkanitler, slate, fillat) Yaş aralığı: yıldan daha yaşlı tarihlendirmeler için uygundur.

20 3- URANYUM SERİLERİ 238 U = 4.5 Milyar yıl 234 U = 248 bin yıl 230 Th = 76 bin yıl 235 U = 700 Milyon yıl 231 Pa = 33 bin yıl Tarihlendirmede 230 Th/ 234 U, 231 Pa/ 235 U, 234 U/ 238 U Yavru / ebeveyn çiftleri kullanılır.

21 Problemler 1. ölçümü yapılan örneklerde yavru izotopların tamamının radyojenik kökenli olduğu varsayımıdır. 2. Çökelmeden itibaren çekirdek kaybı ya da kazanımının olmadığı farzedilir. (Millard & Hedges 1995; 1996; Pike ve diğ. 2002).

22 Uranyum serileri için Örnek Türleri sedimanlar, kemikler, diş, mercanlar, yumuşakçalar, volkanik kayaçlar, karbonatların tümü, turbalar. Yaş aralığı: U/Pa ( 231 Pa- Protaktinyum) tarihlendirmesi 10 yıl ile yıl arası U/Th ( 230 Th) tarihlendirmesi 3 yıl ile yıl arası (Uranyum miktarı 0.1 ppm den fazla olmalı) (Edwards et al. 1997).

23 210 Pb tarihlendirmesi Geçmiş yıl içinde çökelmiş sedimanları tarihlendirmek için kullanılmaktadır. Radyoaktif radon gazı ( 222 Rn) yerkabuğundan atmosfere karışır ve bir dizi bozulma sonrası kararsız 210 Pb a bozuşur. Yarılanma ömrü ± 022 yıl olan 210 Pb Atmosferden uzaklaşarak sedimanlar içinde çökelir ve kararlı 206 Pb a bozuşur. Göl sedimanlarındaki 210 Pb ile 206 Pb nın oranlarının ölçülmesiyle, kurşunun depolandığı zamandan beri geçen dönem belirlenebilir ve sediman birikim oranı tespit edilebilir (Olsson 1986).

24 ölçme 1980 lere kadar ölçümler alfa spektrometreleriyle yapılmıştır 1980 lerde TIMS, MC- ICP-MS cihazlarının geliştirilmesiyle 238 U, 235 U ve 232 Th atomları doğrudan ölçülebilmektedir. MC-ICP-MS

25 4 Fizyon İzleri Fizyon izleri 238 U un doğal fizyonu ile oluşurlar ve bu olayda önemli miktarda enerji açığa çıkar. Oluşan izler μm uzunluğunda ve 6-10 nm genişliğindedir ve doğal olan bu izler elektron mikroskobuyla görülebilir. Oluşan izlerin miktarı numunenin orijinal uranyum içeriği ve zamanın bir fonksiyonudur.

26 (A) Cam parçalarında fizyon izlerinin Optik mikroskop görüntüsü (6-8μm) (B) Cam parçalarındaki fizyon izlerinin SEM görüntüsü (C) Mika da Fizyon izleri (~5μm); (D) Zirkon da iğne biçimli fizyon izleri (kristal ~2mm genişliğinde)

27 iz yoğunluğu (fosil izler) 238 U atomlarının miktarını ölçmeyi sağlar (yada sıcaklığın tavlanma sıcaklığı altına düştüğünden beri geçen zamanı verir). Numunedeki orijinal Uranyum içeriği bilinmelidir ancak bu doğrudan belirlenemez. Numunede bulunan uranyumun miktarı numuneyi termal nötronlara maruz bırakmayla belirlenir. Fizyona uğrayan 235 U atomlarıyla yapay fizyon izleri üretilir. Üretilen izlerin yoğunluğu ve toplam nötron akımının ölçülmesi mineraldeki toplam 235 U in belirlenmesinde kullanılır. 238 U/ 235 U arasındaki oransal ilişki bilindiğinden uranyum miktarı saptanabilir. Böylece sabit hesaplamalar yapılarak mineraldeki 238 U ve dolayısıyla yaş belirlenmiş olur.

28 yöntemle ilgili ön koşullar Uranyum konsantrasyonu yeterli (0,1 ppm den fazla) ve düzgün bir şekilde dağılmış olmalıdır. İzler oluştuklarında çevre sıcaklığında kararlı kalmak zorundadır. Numune kristal kusurları içermemelidir. Bunlar kimyasal işlem sonrası fizyon izleri ile karıştırılabilir. Numune, depolanma sonrası izleri silebilecek bir ısınmaya maruz kalmamalıdır.

29 Fizyon izleri için Örnek Türleri Yerbilimlerinde fizyon izleri tarihlendirmesi en çok termokronoloji de (ör. kayanın termal geçmişi, Kabuksal yükselme) ve jeokronoloji de (ör. Oluşum yaşı) kullanılır. Zirkon, apatit, titanit, tektit, doğal ve yapay camlar (silisli, sulu cam malzemesi) Zirkon Titanit Yaş aralığı: Apatit Tektit yıl arası

30 5 - Lüminesans Yöntemler Toprakta doğal olarak 238 U, 232 Th, 40 K gibi radyoaktif elementler bulunur. Bu radyoaktif elementlerden kaynaklanan radyasyon, çevrede bulunan minerallerin kristal yapısındaki tuzakların elektronlarla dolmasını sağlar. Bu mineraller, ısı veya ışıkla uyarılırsa tuzaklanan elektronlar serbest kalır ve ışık (lüminesans) yayılımına neden olurlar. Uyarma sonucu gözlemlenen lüminesans şiddeti, tuzaklarda biriken elektron sayısıyla, bu sayı numunenin soğurduğu radyasyon dozuyla, bu dozda toprak altında kalma süresiyle orantılıdır.

31 Lüminesans Yöntemler W D D c D D e D

32 Canlıların Aldığı Yıllık radyasyon dozu KAYNAK DOSE (msv/yr) Radon 2.0 Kozmik ışınlar 0.27 Topraktan 0.28 İç 0.39 Toplam Doğal 3

33 Radyasyonun Sedimendlere Katkısı Coarse-Grained Fine-Grained Alpha (α) 20-24% 20% Beta (β) 45-51% 48% Gamma (γ) 25-30% 26% Cosmic Rays 3-6% 3-6%

34 Band modeline göre lüminesans olayının enerji diyagramı İLETKENLİK BANDI α, β, γ 1 Isı veya ışık 6 Lüminesans 2 VALANS BAND

35 LÜMİNESANS MEKANİZMASI,x ışınları ısı veya ışık İLETKENLİK BANDI İLETKENLİK BANDI İLETKENLİK BANDI YASAK ENERJİ BÖLGESİ ELEKTRON TUZAKLARI HOL TUZAKLARI E TL FOTONU VALANS BAND VALANS BAND VALANS BAND ( a ) ( b ) ( c ) i) ışınlama ii) tuzaklanma iii) çıkarılma i) Maruz kalınan radyasyon nedeniyle, valans banttaki elektronlar uyarılır. Uyarılmış elektronlar önce iletkenlik bandına oradanda tuzaklara hareket ederler, elektronların hareketi sonucu oluşan deşikler ise lüminesans merkezlerinde tuzaklanırlar ii) Radyasyona maruz kalma süresiyle orantılı olarak tuzaklarda biriken elektron miktarı artış gösterir iii) Bu örnekler ısı ya ya da ışığa maruz kaldığında; tuzaklarda biriken elektronlar uyarılır bunun sonucunda, önce iletkenlik bandına çıkarlar oradanda lüminesans merkezlerine düşerler. Bunun sonucunda örnekten lüminesans ışığı yayınlanır.