เรียนรู้

การหาอายุด้วยวิธีรูบิเดียม-สตรอนเทียม

จากการค้นคว้าทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันพบว่า มีไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี (radioactive isotope) หลายชนิดที่สามารถ นำมาประยุกต์ใช้ในการหาอายุทางวิทยาศาสตร์ได้ โดยที่ทุก ๆ วิธีการการหาอายุด้วยการใช้ ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีนั้น ใช้หลักการพื้นฐานที่เกี่ยวกับ การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีทั้งสิ้น จะแตกต่างกันก็ตรงที่ วัสดุที่เหมาะสมในการหาอายุหรือวิธีการการคัดแยกแร่และธาตุต่าง ๆ เพื่อนำมาคำนวณการประเมินอัตราการสลายตัวเท่านั้น ซึ่งนอกจาก การหาอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14 การหาอายุด้วยวิธีโปแตสเซียม-อาร์กอน การหาอายุด้วยวิธียูเรเนียม-ตะกั่ว การหาอายุด้วยวิธีอาร์กอน-อาร์กอน อีกหนึ่งวิธีในการกำหนดอายุจากไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีที่น่าสนใจ คือ การหาอายุด้วยวิธีรูบิเดียม-สตรอนเทียม (Sr-Rb dating)

ในธรรมชาติ ธาตุรูบิเดียม (Rubidium, Sr) มีปรากฏอยู่ 2 ไอโซโทป คือ 87Rb และ 85Rb ซึ่งในกรณี 85Rb จัดเป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่มของธาตุเสถียร ในขณะที่ 87Rb เป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มี ค่าครึ่งชีวิต (half life) อยู่ที่ 48,800 ล้านปี โดยจากหลักการที่ว่าเมื่อเวลาผ่านไป ไอโซโทปของธาตุ 87Rb จะสลายตัวอย่างต่อเนื่องให้ อนุภาคเบตา และ ธาตุสตรอนเทียม (Strontium, 87Sr) ซึ่งเป็นธาตุเสถียร นักวิทยาศาสตร์จึงใช้อัตราส่วนของน้ำหนักมวลระหว่างธาตุทั้ง 2 ในการวัดอายุแร่และหิน เรียกการหาอายุแบบนี้ว่า การหาอายุด้วยวิธีรูบิเดียม-สตรอนเทียม (Sr-Rb dating)

การสลายตัวของธาตุ 87Rb ไปสู่ธาตุ 87Sr (ที่มา : www.geo.arizona.edu)

วิธีการตรวจวัด

วิธีการตรวจวัดจะใช้ตัวอย่างหิน เช่น หินแกรนิตเป็นก้อน บดให้ละเอียด แล้วนำตัวอย่างผงหินนั้นไปทำให้เป็นสารละลาย และผ่านขบวนการทางเคมีซึ่งเรียกว่า cation exchange chromatography เพื่อแยกเอาธาตุ 87Rb 87Sr 62Sm และ 60Nd ออกมาจากธาตุตัวอื่น ๆ หลังจากนั้นจึงนำเอาธาตุที่แยกได้ไปตรวจวัดสัดส่วนโดยมวลหรือโดยน้ำหนักของแต่ละธาตุ ผ่านเครื่องมือที่เรียกว่า mass spectrometer ซึ่งจะต้องใช้ตัวอย่างจากจุดต่าง ๆ กันของหินจากแหล่งกำเนิดเดียวกัน โดยเลือกตัวอย่างที่มีค่า 87Rb-87Sr หรือ 62Sm-60Nd ต่างกันเพื่อให้ค่าเหล่านี้กระจายและครอบคลุมปริมาณของธาตุไอโซโทป ซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อการนำค่าไปสร้างกราฟที่เรียกว่า กราฟอายุเท่า หรือ กราฟไอโซครอน (isochron) เพื่อประเมินค่าความชันของกราฟออกมา แล้วจึงนำค่าความชันที่ได้ไปคำนวณหาอายุหินต่อไป

หน้าตาของเครื่อง mass spectrometry ที่ใช้สำหรับตรวจวัดปริมาณ Ar-40 เพื่อนำไปใช้ในการหาอายุด้วยวิธีรูบิเดียม-สตรอนเทียม (ที่มา : https://www.bio21.unimelb.edu.au)

จากสมการความสัมพันธ์ของการสลายตัวของธาตุ 87Sr ไปเป็นธาตุ 87Rb ดังแสดงในสมการด้านล่าง ซึ่งดูแว๊บแรกก็เหมือนกับว่าจะเป็นสมการที่ยุ่งเหยิงน่ากลัวและไม่น่าเข้าใกล้หรือทำความเข้าใจ แต่ถ้าลองพิจารณาดูดีๆ จะพบว่ามันสมการด้านล่าง สามารถเทียบเคียงได้กับ สมการเส้นตรง (linear regression) ทั่วไป โดยถ้าให้พจน์ 87Sr/86SR มีค่าเท่ากับ Y และพจน์ 87Rb/86Sr มีค่าเท่ากับ X  นั่นก็คือสมการเส้นตรง Y = MX + C  โดยที่ค่า C หรือจุดตัดแกน Y มีค่าเท่ากับ 87Sr/86SR ส่วนค่า M คือ ความชันของกราฟเส้นตรงหรือมีค่าเท่ากับ e^(apha.t)-1 = ความชันที่วัดได้จากกราฟ ส่วน apha คือค่าครึ่งชีวิต ส่วน e คือค่าคงที่ ดังนั้นเราจะสามารถคำนวณหาอายุตัวอย่างด้วยวิธีรูบิเดียม-สตรอนเทียม ได้ตามที่อธิบายดังกล่าว

(ก) กราฟอายุเท่า (isochron) สำหรับการประเมินค่าความชันของกราฟเพื่อใช้คำนวณหาอายุด้วยวิธีรูบิเดียม-สตรอนเทียม (ข) ตัวอย่างผลการสร้างกราฟอายุเท่าของตัวอย่างหินอุกาบาต (ที่มา : http://www.tulane.edu)

จุดเด่น

การหาอายุด้วยวิธีรูบิเดียม-สตรอนเทียม โดยส่วนใหญ่นิยมใช้กับตัวอย่างที่มีธาตุ Rb เป็นหลัก ซึ่งค่อนข้างจะหายาก อย่างไรก็ตาม โดยธรรมชาติแล้วธาตุ Rb จะเป็นธาตุที่มักจะพบร่วมกับธาตุ K ดังนั้นแร่ที่มีองค์ประกอบ K ส่วนใหญ่จึงประกอบด้วยธาตุ Rb อยู่ในปริมาณเล็กน้อย เช่น แร่ตระกูลไมกาและตระกูลแร่เฟลด์สปาร์ ซึ่งแร่เหล่านี้มีอยู่ทั่วไปในหินแกรนิต (หันอัคนี) และหินไนส์ (หินแปร) และเนื่องจากค่าครึ่งชีวิตของ 87Rb อยู่ที่ 48,800 ล้านปี จึงทำให้การหาอายุด้วยวิธีรูบิเดียม-สตรอนเทียม จึงนิยมใช้กับการหาอายุวัตถุหรือหินที่มีอายุมากกว่า 100 ล้านปี ขึ้นไป

ส่วนในกรณีของเรื่อง อุณหภูมิปิดก้น (blocking temperature) สำหรับการหาอายุด้วยวิธีรูบิเดียม-สตรอนเทียม ในแต่ละแร่โดยปกติจะสูงกว่า อุณหภูมิปิดก้น ของการหาอายุด้วยวิธีโปแตสเซียม-อาร์กอน (K-Ar dating) ดังนั้นอายุที่ได้จากวิธีรูบิเดียม-สตรอนเทียม โดยปกติจะให้อายุแก่กว่าและถูกต้องมากกว่าวิธีการการหาอายุด้วยวิธีโปแตสเซียม-อาร์กอน นอกจากนั้นกระบวนการวัดก็ไม่ยุ่งยากและให้ประสิทธิภาพดีพอสมควร ดังนั้นการหาอายุด้วยวิธีนี้จึงเป็นหนึ่งในการหาอายุหินที่มีอายุแก่ได้อย่างมีประสิทธิภาพและเป็นที่นิยมไปทั่วโลก

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth

Share: