ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΙΣΟΤΟΠΩΝ. Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Transcript

1 ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΙΣΟΤΟΠΩΝ Τμήμα Χημικών Μηχανικών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 2. ΧΡΟΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΚΑΙ ΓΕΩΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Ιωάννα Δ. Αναστασοπούλου Βασιλική Δρίτσα

2 ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 3 Ο χρόνος υποδιπλασιασμού βρίσκει ευρεία εφαρμογή στον υπολογισμό της χρονολογίας ενός παλαιοντολογικού ή αρχαιολογικού ευρύματος. Στην αρχαιολογία χρησιμοποιείται ο άνθρακας 14 ( 14 C) για τον προσδιορισμό της ηλικίας ενός σκελετού ή ξύλου. Η τεχνική της μέτρησης της χρονολογίας των πετρωμάτων ή αρχαιολογικών αντικειμένων αναπτύχθηκε από τους J. R. Arnold και W.F. Libby (Nobel 1960) και τους συνεργάτες τους στο πανεπιστήμιο του Σικάγου. Το ραδιοϊσότοπο του άνθρακα, 14 C, παράγεται ως θερμικό στην ατμόσφαιρα από την επίδραση των κοσμικών ακτινοβολίες με το άζωτο σύμφωνα με την αντίδραση: 14 N(n,p) 14 C (3.11) Είναι γνωστό στην ατμόσφαιρα παράγεται συνεχώς 14 C. Ο 14 C αντιδρά με το οξυγόνο και σχηματίζει ραδιενεργό διοξείδιο του άνθρακα. Το ραδιενεργό διοξείδιο του άνθρακα εισέρχεται στα φυτά με την φωτοσύνθεση και στα ζώα με τη διατροφική αλυσίδα. Οι ζώντες οργανισμοί έχουν τον ίδιο ισοτοπικό λόγο όσο και η ατμόσφαιρα. Επομένως όσο διαρκεί η ζωή η σχέση μεταξύ του 14 C και του 12 C είναι σταθερή.

4 4 Αν και ο ραδιενεργός άνθρακας μειώνεται σύμφωνα με την αντίδραση: 14 C(β) 14 Ν (3. 12) όμως συνεχώς παράγεται στην ατμόσφαιρα, όπως δείχνει η αντίδραση (3.11) και με την αντίδραση της φωτοσύνθεσης εισέρχεται διαρκώς στον φυσικό κύκλο. Μετά τον θάνατο όμως, για παράδειγμα, ενός ανθρώπου ο άνθρακας 14 C δεν εισέρχεται στον σκελετό και επομένως μειώνεται με χρόνο ημιζωής έτη. Έτσι υπολογίζοντας τον 14 C που παρέμεινε βρίσκουμε τον χρόνο θανάτου του ανθρώπου. Το ανθρώπινο σώμα περιέχει ραδιενεργό 40 Κ και 14 C συνολικής δραστικότητας 10-7 Ci ή 3,7x10 3 Bq. Το πετρέλαιο δεν έχει καθόλου 14 C, ενώ ένα νεαρό δέντρο έχει την ίδια αναλογία 14 C προς 12 C, όση έχει και η ατμόσφαιρα (15 διασπάσεις/g/s). Η μέθοδος χρησιμοποιείται με μεγάλη ακρίβεια για τον υπολογισμό της ηλικίας μέχρι χρόνια. Η ραδιενεργή δραστικότητα του άνθρακα πριν από τις θερμοπυρηνικές δοκιμές των όπλων είχε υπολογισθεί 15 διασπάσεις/min/g του στοιχειακού άνθρακα. Ο Suees απέδειξε ότι η συγκέντρωση του ραδιενεργού ισοτόπου του άνθρακα ως προς το μη ραδιενεργό μειώθηκε τον 20 ο αιώνα ως προς τον 19 ο.

5 5 Αυτό είναι αποτέλεσμα της αύξησης του διοξειδίου του άνθρακα της ατμόσφαιρας που προέρχεται την καύση του πετρελαίου, βενζίνης, και γενικά δραστηριότητες που συνδέονται με την περίοδο της βιομηχανικής επανάστασης. Η διατάραξη της ισορροπίας του 14 C/ 12 C ονομάζεται φαινόμενο Suees. Για να γίνει επομένως προσδιορισμός της ηλικίας αρχαιολογικών ευρημάτων ή γεωλογικών πετρωμάτων πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη η περιοχή συλλογής των δειγμάτων και να αποφεύγονται δείγματα από βεβαρημένες με πρόσφατο ραδιενεργό άνθρακα περιοχές. Έτσι δείγματα από σπηλιές συνήθως είναι περισσότερο αντιπροσωπευτικά για τον χρονολογικό υπολογισμό. Αν πρόκειται για τον υπολογισμό της ηλικίας γαιάνθρακα, τότε η περιοχή συλλογής του δείγματος πρέπει να καθαριστεί προσεκτικά από τις ρίζες των σύγχρονων φυτών, που περιέχουν την ίδια συγκέντρωση ραδιοϊσοτόπου με την ατμόσφαιρα. Για τον υπολογισμό της ηλικίας ενός δέντρου, δεντροχρονολογία, μόνον οι εξωτερικοί δακτύλιοι του φυτού έχουν συγκέντρωση ραδιενεργού άνθρακα ίση με αυτή της ατμόσφαιρας. Έτσι, υπολογίζοντας την διαφορά των συγκεντρώσεων του ραδιοϊσοτόπου 14 C του εξωτερικού δακτυλίου με τους εσωτερικούς έχει υπολογιστεί η ηλικία δέντρων μέχρι και χρόνια.

6 6 Στους παραπάνω παράγοντες πρέπει να προστεθούν και οι κλιματολογικές συνθήκες της περιοχής που μεταβάλλουν την περιεκτικότητα σε άνθρακα (ατμόσφαιρα, ωκεανοί, βιόσφαιρα). Για την χρονολογική περίοδο 1000 μέχρι Π.Χ. η μέθοδος προσδιορισμού της ηλικίας είναι αρκετά ακριβής, αν ληφθούν υπόψη οι διάφορες επιδράσεις του περιβάλλοντος. Για τον ακριβή υπολογισμό του ραδιενεργού άνθρακα χρησιμοποιείται η φασματομετρία μάζας για τον διαχωρισμό των ισοτόπων και η μέτρηση με βάση τις διασπάσεις. Ο διαχωρισμός του διοξειδίου του άνθρακα γίνεται με μετατροπή του σε ίζημα BaCO 3. Ο ραδιενεργός άνθρακας εκπέμπει μόνον ακτίνες β και επομένως είναι εύκολο να μετρηθούν με μετρητές ακτίνων β. Για τον προσδιορισμό της ηλικίας ενός πετρώματος χρησιμοποιούμε την ποσότητα του ουρανίου και των ισοτόπων του θόριο, κάλλιο και ρουβίδιο. Για τον υπολογισμό της ηλικίας ενός πετρώματος, επειδή δεν γνωρίζουμε την ακριβή χρονολογική έναρξη σχηματισμού του πλανήτη μας, δεχόμαστε ότι κατά τον σχηματισμό ενός πετρώματος υπάρχει μία συγκεκριμένη ποσότητα ουρανίου, όποτε η διάσπαση του ουρανίου παράγει ήλιο (ακτίνα α). Για κάθε άτομο ουρανίου ( 238 U) που μεταπίπτει σε μόλυβδο ( 206 Pb) παράγονται 8 σωματίδια α.

7 7 Αν το ήλιο δεν διαφεύγει από το πέτρωμα τότε από την ποσότητα του παραγομένου ηλίου προσδιορίζεται η ηλικία του πετρώματος. Επίσης αντί του λόγου ουράνιο/ήλιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο λόγος ουράνιο/μόλυβδο. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί και ο ισοτοπικός λόγος Pb/ Pb. Με την παραπάνω μέθοδο υπολογίσθηκε ότι το παλαιότερο πέτρωμα έχει ηλικία 4,5x 10 9 έτη. Η μέθοδος προσδιορισμού προϋποθέτει ότι δεν διέφυγε ούτε ουράνιο ούτε ήλιο από το πέτρωμα. Η χρονολόγηση με βάση την ποσότητα του τρίτιου είναι και αυτή αρκετά διαδεδομένη. Πρώτος ο W.F.Libby (Nobel χημείας 1960) την χρησιμοποίησε για υπολογισμό της ηλικίας των γαλλικών κρασιών. Το τρίτιο, όπως και ο άνθρακας εκπέμπει ακτίνες β. Η συγκέντρωση του τρίτιου στο νερό εκφράζεται με την μονάδα τρίτιου (tritiumunits, TU). Ένα τρίτιο ορίζεται ως η ισοδυναμία ενός ατόμου 3 Η ανά άτομα 1 Η. Λόγω των πολλών δοκιμών των πυρηνικών όπλων ο λόγος του τρίτιου προς το υδρογόνο έχει διαταραχθεί αρκετά.

8 ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.