Klukkan sem tifar í berginu

Allt efni er úr örsmáum ögnum sem kallast frumeindir eða atóm. Sjálft atómið er svo gert úr jákvætt hlöðnum kjarna og neikvætt hlöðnum rafeindum sem rafkraftar halda í rafeindaskýi umhverfis kjarnann. Kjarninn greinist síðan í jákvætt hlaðnar róteindir og óhlaðnar nifteindir sem kjarnorka heldur saman. Róteindir, nifteindir og rafeindir kallast einu nafni öreindir atómsins. Mestur hluti massa atómsins er fólginn í kjarnanum því ein róteind er 1832 sinnum massameiri en rafeind og nifteindin er nánast jafn massamikil eða 1833 sinnum massameiri en rafeind.

Fjöldi róteinda í kjarna atóms ræður sætistölu efnis í lotukerfinu og jafnframt heiti þess en samanlagður fjöldi róteinda og nifteinda ræður massatölu efnisins. Atóm sama frumefnis hafa því ávallt sama fjölda róteinda en í vissum tilfellum getur fjöldi nifteinda hjá sama frumefni verið mismunandi. Slík atóm kallast samsætur.

Kjarni vetnisatómsins hefur til dæmis aðeins eina róteind en af því finnast 3 samsætur, ¹₁H, ²₁H og ³₁H. Af flestum frumefnum finnast tvær eða fleiri samsætur. Margar samsætur eru óstöðugar sem kallað er og sundrast þá kjarni þeirra og losar sig um leið við orku með geislun. Einstein sýndi fram á jafngildi massa og orku með líkingu sinni sem hann setti fram 1905:

    E = mc²

þar sem E stendur fyrir orku, m fyrir massa og c fyrir hraða rafsegulbylgna (hraða ljóssins). Þessi líking er afar mikilvæg þegar við virðum fyrir okkur massa atóms. T.d. eru í einum helínkjarna, ⁴₂He, 2 róteindir og 2 nifteindir. Í u-einingum er massi róteindar 1,00758 u og massi nifteindar 1,00893 u. Því ætti massi helínkjarna, 42He, að vera [(2 · 1,00758) + (2 · 1,00893)] = 4,03303 u en reynist hins vegar aðeins vera 4,00260 u. Hluti massans hefur því greinilega breyst í orku við að þessir 4 kjörnungar bindast saman í einn kjarna.

Kjarnorka losnar ýmist við kjarnasamruna eins og í sólinni þar sem vetniskjarnar eru að renna saman og mynda þyngri helínkjarna eða við kjarnaklofnun eins og gerist hvarvetna í náttúrunni þar sem geislavirk efni sundrast.

Geislavirkt kolefni

Í efstu lögum gufuhvolfsins eru geislavirk kolefnisatóm, ¹⁴C, stöðugt að myndast við það að nituratóm, ¹⁴N, verða fyrir stöðugri nifteindaskothríð vegna geimgeislunar. Þessi geislavirka samsæta kolefnis blandast fullkomlega hinum samsætum kolefnisins ¹²C og ¹³C og dreifist hratt með þeim um allt gufuhvolfið og lífríkið. Því má gera ráð fyrir að ¹⁴C sé að finna í sama hlutfalli í sérhverri lifandi lífveru sem bindur kolefnissambönd. ◊ ◊ Við dauða lífverunnar klofnar ¹⁴C niður niður án þess að endurnýjast samkvæmt líkingunni:

    ¹⁴C → ¹⁴N + ß

ß stendur fyrir svokallaða betageislun sem verður til í kjarna þegar nifteind breytist í róteind og orkumikla rafeind (eða stundum jáeind).

Eftir 5.730 ár hefur helmingur upphafslegs magns af ¹⁴C breyst í ¹⁴N og er þetta kallaður helmingunartími ¹⁴C. Sjá mynd ◊ og töflu |T| Með flóknum mælingum má þannig aldursgreina leifar dýra og plantna og er þá lagt til grundvallar í fyrsta lagi að framleiðsla ¹⁴C hafi verið stöðug og jöfn síðustu 50.000 árin og í öðru lagi að öll sýni hafi verið með sama hlutfalli ¹⁴C/¹²C í upphafi.

Geislakols-aðferðin, eins og hún er oft nefnd, er mikið notuð til að greina aldur hraunlaga og öskulaga frá nútíma. Ennfremur kemur þessi aðferð að góðum notum við aldursákvarðanir á fornleifum.

Sjá nánar: um ¹⁴C-aldursgreiningu.

Kalín-argon-aðferðin

Frumefnið kalín hefur 3 samsætur, ³⁹K, ⁴⁰K og ⁴¹K. Af þeim er aðeins ein þeirra ⁴⁰K geislavirk og hefur hún 1.3 milljarðs ára helmingunartíma. Þessar samsætur sundrast með tvennum hætti. 12% þeirra hremma rafeind og mynda ⁴⁰Ar:

    ⁴⁰K + ß → ⁴⁰Ar

en hin 88% klofna og gefa frá sér rafeind og mynda ⁴⁰Ca:

    ⁴⁰K → ⁴⁰Ca + ß

Kalín-argon aðferðin, eins og hún er oft nefnd, er hentug til aldursgreininga á storkubergi. Gert er ráð fyrir því að allt argon sleppi úr kvikunni áður en hún storknar því að argon er eðallofttegund og binst ógjarnan öðrum efnum. Þess vegna er allt argon, ⁴⁰Ar, sem finnst í bergi, tilkomið við sundrun ⁴⁰K eftir að kvikan storknaði. Aldur bergsins fæst út frá helmingunartíma ⁴⁰K og hlutfalli þess ⁴⁰K sem eftir er í berginu og þess ⁴⁰Ar sem hefur náð að myndast þar. Þessari aðferð hefur talsvert verið beitt við aldursákvarðanir á íslensku bergi frá tertíer.

Við aldurákvörðun á mjög gömlu bergi henta úraníum 238 → blý-206, rubidíum-87 → strontín-87 og úran-235 → blý-207 ◊ oft vel.

Með geislamælingum hefur tekist að sýna fram á að brot úr loftsteinum, sem fallið hafa á jörðina, eru öll álíka gömul eða um 4,5 milljarðar ára. Ætla má að loftsteinarnir hafi orðið til í sólkerfinu á sama tíma og jörðin og því sé hún jafn gömul þessum brotum.

Sjá lotukerfið.

Sjá argon-argon aðferðina.

Sjá ◊ og síðu um helmingunartíma.