تحديد العمر باستخدام اليورانيوم-الثوريوم

يُعدّ التأريخ باليورانيوم-ثوريوم ، والذي يُعرف أيضًا بالتأريخ بالثوريوم-230 ، أو التأريخ بعدم توازن سلسلة اليورانيوم، أو التأريخ بسلسلة اليورانيوم ، تقنية تأريخ إشعاعي طُوّرت في ستينيات القرن الماضي، واستُخدمت منذ سبعينياته لتحديد عمر مواد كربونات الكالسيوم ، مثل الرواسب الكهفية والشعاب المرجانية . ^{[ 1 ] [ 2 ]} وعلى عكس تقنيات التأريخ الإشعاعي الأخرى الشائعة الاستخدام ، مثل التأريخ بالروبيديوم-سترونتيوم أو التأريخ باليورانيوم-رصاص ، فإن تقنية اليورانيوم-ثوريوم لا تقيس تراكم ناتج تحلل مستقر . بدلاً من ذلك، تحسب العمر بناءً على درجة استعادة التوازن الإشعاعي بين النظير المشع الثوريوم-230 ونظيره المشع الأصلي اليورانيوم-234 داخل العينة.

لا يذوب الثوريوم في المياه الطبيعية في الظروف الموجودة على سطح الأرض أو بالقرب منه، لذا فإن المواد التي تنمو في هذه المياه أو منها لا تحتوي عادةً على الثوريوم. ^{[ 3 ]} في المقابل، يذوب اليورانيوم إلى حد ما في جميع المياه الطبيعية، لذا فإن أي مادة تترسب أو تنمو من هذه المياه تحتوي أيضًا على آثار من اليورانيوم، عادةً بمستويات تتراوح بين بضعة أجزاء في المليار وبضعة أجزاء في المليون وزناً. مع مرور الوقت بعد تكوّن هذه المادة، يتحلل اليورانيوم-234 الموجود في العينة، والذي يبلغ عمر النصف له 245,000 سنة، إلى ثوريوم-230. ^{[ 4 ]} الثوريوم-230 نفسه مشع ويبلغ عمر النصف له 75,000 سنة، ^{[ 4 ]} لذا فبدلاً من أن يتراكم إلى أجل غير مسمى (كما هو الحال مثلاً في نظام اليورانيوم-الرصاص )، يقترب الثوريوم-230 من حالة التوازن الإشعاعي مع نظيره المشع اليورانيوم-234. حيث يتساوى عدد تحللات الثوريوم-230 سنويًا ضمن عينة ما مع عدد ذرات الثوريوم-230 المُنتَجة، والذي يساوي أيضًا عدد تحللات اليورانيوم-234 سنويًا في العينة نفسها. وتُمثَّل هذه النهاية بالنقطة (1،1) في الرسم البياني أعلاه.

في عام 1908، وجد جون جولي ، أستاذ الجيولوجيا في كلية ترينيتي بدبلن ، محتوىً أعلى من الراديوم في الرواسب العميقة مقارنةً برواسب الجرف القاري، ورجّح أن الرواسب الفتاتية تستخلص الراديوم من مياه البحر. وفي عام 1942، اكتشف بيجوت وأوري أن زيادة الراديوم تتوافق مع زيادة الثوريوم ( ^230Th ، وهو العنصر الأم المباشر للراديوم). واستغرق الأمر 20 عامًا أخرى قبل تطبيق هذه التقنية على الكربونات الأرضية ( الرواسب الكهفية والترافرتين ). وفي أواخر ثمانينيات القرن العشرين، جرى تحسين هذه الطريقة باستخدام مطياف الكتلة، بمساهمات كبيرة من لاري إدواردز. ^{[ 5 ] [ 6 ] بعد} ترجمة كتاب فيكتور فيكتوروفيتش تشيردينتسيف الرائد حول اليورانيوم-234 إلى الإنجليزية، حظي تأريخ اليورانيوم-234 باهتمام بحثي واسع النطاق في الجيولوجيا الغربية ^{. [ 7 ]}

يُعدّ التأريخ بسلسلة اليورانيوم مجموعة من الطرق التي يمكن تطبيقها على مواد مختلفة عبر فترات زمنية متباينة. وتُسمى كل طريقة نسبةً إلى النظائر التي تُقاس للحصول على التاريخ، وغالبًا ما تكون نظيرًا ناتجًا عن نظير آخر ونظيرًا أصليًا له. يُبين الجدول أدناه ثماني طرق في هذا الشأن.

تعتمد طريقة ^234U / ^238U على حقيقة أن ^234U يذوب بشكل تفضيلي على ^238U ، لأنه عندما تتحلل ذرة ^238U بإصدار أشعة ألفا، تنزاح الذرة الناتجة عن التحلل من موضعها الطبيعي في البلورة بفعل الارتداد الذري . ^{[ 8 ]} ينتج عن ذلك ذرة ^234Th التي تتحول بسرعة إلى ذرة ^234U . بمجرد ترسيب اليورانيوم، تعود نسبة ^234U إلى ^238U إلى حالة التوازن الإشعاعي (حيث تتساوى أنشطة النظيرين)، ويقل البعد عن حالة التوازن بمقدار النصف كل 245,000 سنة.

تعطي موازنة المواد، بالنسبة لثابت مجهول A ، هذه التعبيرات لنسب النشاط (بافتراض أن ²³⁰ Th يبدأ من الصفر):

${\displaystyle ^{234}{\text{U}}/^{238}{\text{U}}=1+A\times 2^{-t/245000}}$

${\displaystyle ^{230}{\text{Th}}/^{238}{\text{U}}=1+{\frac {A}{1-75000/245000}}\times 2^{-t/245000}-\left(1+{\frac {A}{1-75000/245000}}\right)\times 2^{-t/75000}}$

يمكننا حل المعادلة الأولى لإيجاد قيمة A بدلالة العمر المجهول، t :

${\displaystyle A=(^{234}{\text{U}}/^{238}{\text{U}}-1)\times 2^{t/245000}}$

بوضع هذا في المعادلة الثانية نحصل على معادلة يجب حلها لإيجاد قيمة t :

${\displaystyle ^{230}{\text{Th}}/^{238}{\text{U}}=1+{\frac {^{234}{\text{U}}/^{238}{\text{U}}-1}{1-75000/245000}}-2^{-t/75000}-{\frac {^{234}{\text{U}}/^{238}{\text{U}}-1}{1-75000/245000}}\times 2^{t/245000-t/75000}}$

لسوء الحظ، لا يوجد تعبير مغلق للعمر، t ، ولكن يمكن إيجاده بسهولة باستخدام خوارزميات حل المعادلات .

يبلغ الحد الأقصى لعمر العينات باستخدام تقنية التأريخ باليورانيوم-الثوريوم ما يزيد قليلاً عن 500,000 سنة، ويُحدد ذلك بناءً على عمر النصف للثوريوم-230، ودقة قياس نسبة الثوريوم-230 إلى اليورانيوم-234 في العينة، ودقة معرفة عمر النصف لكل من الثوريوم-230 واليورانيوم-234. ولحساب العمر باستخدام هذه التقنية، يجب أيضاً قياس نسبة اليورانيوم-234 إلى نظيره الأصلي اليورانيوم-238.

يُعطي التأريخ باستخدام اليورانيوم-الثوريوم أدق النتائج عند تطبيقه على كربونات الكالسيوم المترسبة، أي في الصواعد الكلسية ، والحجر الجيري الترافرتيني، والحجر الجيري البحيري. أما العظام والأصداف فهي أقل موثوقية. يمكن أن تصل دقة قياس الطيف الكتلي إلى ±1%. بينما تبلغ دقة عدّ جسيمات ألفا التقليدي ±5%. كما أن قياس الطيف الكتلي يستخدم عينات أصغر حجمًا. ^{[ 9 ]}

• التأريخ بالكربون المشع

• شاكاشيري، بسام ز. "اليورانيوم" . مادة كيميائية الأسبوع على موقع scifun.org . قسم الكيمياء، جامعة ويسكونسن-ماديسون. مؤرشف من الأصل بتاريخ 14 فبراير 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 أكتوبر 2015 .