เรียนรู้

การหาอายุด้วยวิธีโปแตสเซียม-อาร์กอน

ในบรรดาธาตุต่างๆ ที่มีอยู่บนโลก ธาตุโปแตสเซียม (Potassiam, K) เป็นอีกธาตุหนึ่งที่มีปริมาณพอสมควร โดยส่วนมากมักจะพบปะปนอยู่ใน แร่ประกอบหิน ทั่วไป ซึ่งทั้งหมดของธาตุ K ที่มีอยู่บนโลก ประกอบด้วย 3 ไอโซโทป คือ K-39 K-40 และ K-41 โดยที่ K-39 และ K-41 เป็นธาตุที่เสถียร มี 19 โปรตรอน เหมือนกัน แต่มีนิวตรอนต่างกัน คือ 20 และ 22 ส่วนในกรณีของ K-40 ซึ่งมีนิวตรอน 21 ตัวนั้น เป็น ธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element) ที่ไม่เสถียรและสลายได้ตามหลักการของการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีโดยทั่วไป ซึ่งในกรณีของ K-40 นั้นสามารถสลายตัวได้ 2 รูปแบบ คือ

2 รูปแบบของการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี K-40 (ที่มา : Mcgraw-Hill Companies)

1) สลายตัวจาก K-40 ไปเป็น Ca-40 ซึ่งในสภาวะแวดล้อมปกติในธรรมชาติ Ca-40 เป็นไอโซโทปที่มีอยู่ทั่วไปจำนวนมาก ดังนั้นในทางปฏิบัติ นักวิทยาศาสตร์จึงไม่สามารถจำแนกหรือแยกได้ระหว่าง Ca-40 ที่ได้จากการสลายตัวมาจาก K-40 หรือเป็น Ca-40 ที่เดิมมีอยู่แล้วในธรรมชาติ ทั้งนี้ก็เพราะสัดส่วนของ Ca-40 ที่ได้จากการสลายตัวของ K-40 มีน้อยมากๆ เมื่อเทียบกับ Ca-40 ในธรรมชาติ ทำให้ไม่สามารถตรวจวัดหรือใช้หลักการการสลายตัวจาก K-40 ไปเป็น Ca-40 มาประยุกต์ใช้ในการหาอายุทางธรณีวิทยาได้

2) สลายตัวจาก K-40 ไปเป็น Ar-40 (ซึ่งต่างจากก๊าซอาร์กอนในบรรยากาศที่เป็น Ar-36) การสลายตัวของ K-40 แบบนี้มี ครึ่งชีวิตของการสลายตัว (half life) ประมาณ 1,200-1,300 ล้านปี โดยเนื่องจาก Ar-40 เป็นก๊าซเฉื่อยจึงไม่สามารถรวมกับธาตุอื่นๆ ได้ แต่สามารถรั่วไหลออกไปสู่สภาพแวดล้อมได้ เมื่อได้รับความร้อนหรือความดัน เช่น ก๊าซ Ar-40 รั่วไหลออกไปจากหินเดิม หลังจากที่มีแมกมาแทรกตัวขึ้นมา หรือแมกมาที่แทรกตัวขึ้นมาใหม่ๆ จะไม่มี Ar-40 เหลืออยู่เลย จนกระทั่งแมกมาเย็นตัวเป็นหิน จึงจะเริ่มสะสม Ar-40 ในหิน

ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงอาศัยหลักการสลายตัวจาก K-40 ไปเป็น Ar-40 มาใช้ในการหาอายุทางธรณีวิทยา เรียกว่า การหาอายุด้วยวิธีโปแตสเซียม-อาร์กอน (K-Ar dating) ซึ่งในปัจจุบันนิยมนำวิธีนี้มาใช้ในการหาอายุหินอัคนีที่มีเม็ดผลึกขนาดเล็กจำพวกหินอัคนีภูเขาไฟ เช่น บะซอลต์ หรือหินแปร หรือแม้กระทั่งหินตะกอนก็สามารถหาอายุได้เช่นกัน และสืบเนื่องจากครึ่งชีวิตของการสลายตัวของ K-40 อยู่ที่ประมาณ 1,200-1,300 ล้านปี ซึ่งถือว่ายาวนานมากๆ เมื่อเทียบกับธาตุกัมมันตรังสีตัวอื่นๆ ดังนั้นการหาอายุด้วยวิธีโปแตสเซียม-อาร์กอน จึงนิยมใช้กับหินที่มีอายุค่อนข้างแก่ประมาณ 1-10 ล้านปี

โดยในการหาอายุ จะใช้หินทั้งก้อน โดยแร่ที่นิยมใช้เป็นตัวแทนในการหาอายุ คือ แร่ที่มีปริมาณของธาตุ K-40 จำนวนมาก เช่น แร่ไมกา แร่เฟลด์สปาร์ชนิดโปแตสเซียม หรือแร่ฮอร์นเบลนด์ เป็นต้น ซึ่งสมการในการหาอายุด้วยวิธีโปแตสเซียม-อาร์กอน แสดงดังนี้

กำหนดให้

  • t คือ อายุตัวอย่าง
  • t1/2 คือ ค่าครึ่ง่ชีวิตของ K-40
  • Kf คือ จำนวนของ K-40 ที่ยังคงเหลือในตัวอย่าง
  • Arf คือ จำนวน Ar-40 ที่ตรวจพบในตัวอย่าง
  • 0.109 คือ ค่าของส่วนของ K-40 ที่สลายตัวไปเป็น Ca-40

โดยในการได้มาซึ่งข้อมูลอัตราส่วนของไอโซโทประหว่าง Ar-40 ต่อ K-40 ในตัวอย่างที่ต้องการหาอายุ ปริมาณ Ar-40 สามารถตรวจวัดได้โดยตรงจากเครื่องคือ mass spectrometry จาก Ar-40 ที่ถูกปล่อยออกในระหว่างที่ตัวอย่างกำลังถูกหลอมละลายโดยเครื่อง flame photometry หรือ atomic absorption spectroscopy

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

ส่วนในกรณีของ K-40 ในทางปฏิบัติ ปริมาณของ K-40 นั้นตรวจวัดโดยตรงได้ยาก ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงประยุกต์ใช้วิธีการตรวจวัด K-39 แทน ซึ่งสามารถวัดได้ด้วยเครื่องมือ หลังจากนั้นจึงทำการปรับเทียบสัดส่วนระหว่าง K-40 และ K-39 ที่เป็นมาตรฐานและเป็นที่ยอมรับในปัจจุบัน โดยสัดส่วนระหว่าง K-40 และ K-39 มีค่าเท่ากับ 0.0117% ต่อ 93.2581%

อุณหภูมิปิดกั้น และ ข้อจำกัดการหาอายุ

อย่างที่กล่าวไปในตอนต้นว่า Ar-40 สามารถรั่วไหลออกไปสู่สภาพแวดล้อมได้ เมื่อได้รับความร้อนหรือความดัน ดังนั้นการหาอายุด้วยวิธีโปแตสเซียม-อาร์กอน จึงใช้ได้กับเฉพาะตัวอย่างที่มีการเย็นตัวอย่างเพียพอ พอที่จะทำให้ Ar-40 นั้นไม่สามารถรั่วไหลออกจากผลึกแร่ไปได้ ซึ่งระดับอุณภูมิสูงสุดที่ยังคงรักษาไม่ให้ Ar-40 นั้นรั่วไหลออกไปได้ เรียกว่า อุณหภูมิปิดกั้น (blocking temperature) โดยหากหินหรือตัวอย่างที่นำมาหาอายุมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิปิดกั้น และ Ar-40 บางส่วนรั่วไหลออกไปจากผลึกแร่ จะส่งผลให้อายุที่ได้อ่อนกว่าความเป็นจริง โดยอุณหภูมิปิดกั้นนี้จะมีค่าแตกต่างกันไปในแต่ละชนิดของแร่ แต่โดยส่วนใหญ่แล้วแร่ต่างๆ จะเริ่มสูญเสีย Ar-40 ไปเมื่อได้รับความร้อนตั้งแต่ 300oC ขึ้นไป

นอกจากนี้สืบเนื่องจากประเด็นเรื่องอุณหภูมิปิดกั้น ในกรณีของหินที่ถูกแปรสภาพ (metamorphose) ปริมาณ Ar-40 ที่ตรวจวัดได้นั้นจะไม่สื่อถึงทั้ง การเย็นตัวครั้งล่าสุดของหินอัคนี หรือไม่ได้สื่อถึงเวลาของการแปรสภาพอย่างแท้จริงของหินนั้นๆ ซึ่งปัญหาจริงในทางปฏิบัติคือ เราไม่สามารถรู้ได้เลยว่าตัวอย่างหรือหินที่นำมาทดสอบนั้นเป็นตัวอย่างที่ โดนแปรสภาพอย่างสมบูรณ์หรือไม่ ดังนั้นโดยส่วนใหญ่แทนที่จะใช้ในการหาอายุการแปรสภาพของหินแปร ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์จึงเชื่อมั่นและมักใช้วิธีหาอายุด้วยวิธีโปแตสเซียม-อาร์กอน กับหินอัคนีมากกว่า

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

Share:
Slot Toto Slot Gacor Maxwin slot thailand slot toto slot resmi slot thailand slot qris slot gacor maxwin slot gacor maxwin Slot Gacor Maxwin Slot Gacor Maxwin 2024 Situs Slot Gacor 777 Situs Slot Gacor Toto Slot Gacor 2024 Maxwin Slot Gacor Terbaik Slot Gacor 4D Slot Gacor Terpopuler slot gacor maxwin slot toto gacor scatter hitam slot thailand slot777 slot maxwin slot thailand slot toto gacor slot gacor 777 Slot Gacor Thailand slot88 maxwin slot thailand 2024