תיארוך רדיומטרי

תיארוך רדיומטרי (אנגלית: Radiometric dating, נקרא גם תיארוך רדיואקטיבי) היא שיטה לתיארוך חומרים. השיטה מבוססת על ידיעת קצב הדעיכה הרדיואקטיבית של איזוטופים טבעיים, ושיעורו של קצב זה  בעת המדידה. שיטה זו היא הבסיס העיקרי לקביעת, למשל, גיל כדור הארץ ומהווה מקור מידע משמעותי ביותר לגבי קצב השינוי האבולוציוני.
קיימות מספר שיטות הנבדלות זו מזו בדיוקן (מידת השגיאה במדידה), עלות ומסגרת הזמן הניתנת למדידה.

עקרונות התיארוך הרדיומטרי

חומר רגיל מורכב משילובים של יסודות כימיים, כל אחד מהם עם מספר אטומי משלו, המציין את מספר הפרוטונים בגרעין. בנוסף, יסודות מופיעים כאיזוטופים שונים, הנבדלים זה מזה במספר הנייטרונים שבגרעין. איזוטופ מסוים של יסוד מסוים נקרא נוקליד. מספר נוקלידים אינם יציבים במידה רבה. כלומר, בנקודת זמן אקראית כלשהי, האטום של נוקליד כזה יהפוך לנוקליד אחר בתהליך התפרקות רדיואקטיבית. המעבר הזה מתרחש על ידי פליטה של חלקיקים כגון אלקטרונים (הידוע כהתפרקות בטא) או גרעיני הליום (התפרקות אלפא).
בעוד שהרגע בו גרעין מסוים יתפרק הוא אקראי, קבוצת אטומים של נוקליד רדיואקטיבי מתפרקת באופן מעריכי בשיעור המתואר על ידי הפרמטר הידוע כזמן מחצית חיים, שנמדד בשנים כשמדובר בשיטות תיארוך. משמעותו של זמן מחצית החיים היא שלאחר כל פעם שמסתיים מחזור אחד שלו (כלומר, אם זמן מחצית החיים הוא דקה אחת אזי מדובר על דקה אחת שחלפה) נותרת בדגימה מחצית מכמות האטומים שהיו בה בתחילת המדידה, וזאת כיוון שחצי מהאטומים התפרקו. חומרים רדיואקטיביים רבים מתפרקים מנוקליד אחד לתוצר התפרקות (או "גרעין בת") סופי ויציב דרך סדרה של שלבים הידועים כסדרת התפרקות. במקרה זה, זמן מחצית החיים שמדובר עליו הוא הארוך ביותר בכל השרשרת, ולא רק שלב אחד בשרשרת.
לנוקלידים שמשתמשים בהם בתיארוך רדיומטרי יש זמן מחצית חיים הנע בין אלפי שנים למיליארדי שנים.
לרוב, זמן מחצית החיים של נוקליד תלוי אך ורק בתכונות הגרעין. גורמים חיצוניים כגון טמפרטורה, סביבה כימית, שדה חשמלי, שדה מגנטי אינם משפיעים עליו. עם זאת, שיעור ההתפרקות של יסודות כגון בריליום-7, סטרונציום-85 וזירקוניום-89 עשוי להיות מושפע מצפיפות האלקטרונים של הדגימה. כיוון שכך, לא נהוג להשתמש באיזוטופים אלה לצורך תיארוך רדיומטרי.
למרות שניתן להאיץ התפרקות על ידי הפגזה רדיואקטיבית (הפגזה רדיואקטיבית היא תהליך שבו מכוונים אלומת חלקיקים רדיואקטיביים לעבר דגימת האיזוטופ), הפגזה זו נוטה להשאיר עדויות על התרחשותה. אם מזניחים את השיקולים האלה, הדעה הרווחת היא כי זמן מחצית החיים של כל נוקליד הוא קבוע (ואיתו קצב ההתפרקות). לפיכך, בכל חומר המכיל נוקליד רדיואקטיבי, היחס הכמותי בין הנוקליד המקורי לבין תוצר(י) ההתפרקות שלו משתנה בדרך הניתנת לניבוי כשהנוקליד המקורי מתפרק. יכולת הניבוי הזאת מאפשרת לעשות שימוש בכמויות היחסיות של הנוקלידים מבין כל הנוקלידים הקיימים כשעון שמודד את הזמן מהפכת הנוקליד המקורי לתוצר הבת עד להווה.
התהליכים היוצרים חומרים מסוימים הם לעיתים נוחים מאוד בשל כך שהם בוררים את החומרים שאותם מכניסים לתרכובותיהם. במקרה האידיאלי, החומר יכלול את נוקליד האב ויפלוט את נוקליד הבת. במקרה זה, נוקליד הבת היחיד שיימצא במהלך בחינת דגימה בוודאי יהיה בה מאז שהיא נוצרה. כשחומר מכיל את נוקליד האב ואת נוקליד הבת בזמן היווצרותו, ייתכן ויהיה זה הכרחי להניח שהיחסים ההתחלתיים של חומר רדיואקטיבי ונוקליד הבת שלו ידועים. תוצר הבת לא יכול להיות מולקולת גז קטנה שיכולה לעזוב את החומר, והוא חייב להיות בעל זמן מחצית חיים ארוך מספיק משל עצמו על מנת שיהיה ניתן למצוא אותו בכמות מספיקה. בנוסף, ליסוד ההתחלתי ותוצר ההתפרקות אסור להיווצר או להיצרך בכמויות משמעותיות על ידי תגובות אחרות. התהליכים שבהם עושים שימוש כדי לבודד ולנתח את תוצרי התגובה הכימית חייבים להיות ישירים ואמינים.
אם חומר שפולט באופן בררני את נוקליד הבת מתחמם, כל נוקליד בת שיצטבר במהלך זמן יאבד דרך פעפוע, "ויכוון" את השעון האיזוטופי לאפס. הטמפרטורה שבה תופעה זו מתרחשת ידועה כ"טמפרטורת החסימה" והיא ייחודית לכל סוג של חומר.
בניגוד לרוב שיטות התיארוך הרדיומטריות הפשוטות, תיארוך איזוכרוני, בו עושים שימוש ברצפי התפרקות של איזוטופים רבים (לדוגמה רצף ההתפרקות רובידיום-סטרונציום), לא דורש מידע מוקדם לגבי היחס ההתחלתי. כמו כן, עושים שימוש בשיטת התיארוך אָרגון-ארגון ברצף ההתפרקות אשלגן-ארגון על מנת לוודא שלא הייתה כמות התחלתית כלשהי של ⁴⁰Ar.

מגבלות השיטה

למרות שתיארוך רדיומטרי מדויק באופן עקרוני, יש צורך בדייקנות רבה בביצוע התהליך. ההשפעות המבלבלות של זיהום התחלתי של איזוטופי אב ובת חייבות להילקח בחשבון, כמו גם ההשפעות של אובדן או השגת איזוטופים אלו מאז שהדגימה נוצרה. בנוסף, במדידה בספקטרומטר מסות, איזוטופים של נוקלידים אחרים עם מספר מסה זהה עלולים להפריע. ייתכן ויש צורך לבצע תיקונים על ידי מדידת יחסי האיזוטופים של היסודות שעשויים להפריע למדידת איזוטופ המטרה.
ספקטרומטרי מסה רגישים מאוד להפרעות. ההפרעה הקריטית ביותר היא איכות הריק. ריק גרוע מאפשר לאטומים גזיים ליירט אטומים מיוננים לפני המדידה. כושר ההפרדה של הגלאי מהווה גם כן גורם, אולם הציוד המודרני השתפר בהרבה לעומת מהדורות קודמות.
רמת הדיוק גדלה אם המדידה נעשית על דגימות שונות מאותו סלע אולם במקומות שונים. דרך נוספת היא בדיקת קיומו של איזוכרון. האיזוכרון קיים אם יש מספר מינרלים שונים שניתן לתארך מאותה דגימה, ניתן להניח שהם נוצרו באותו מאורע גאולוגי ושהם נמצאים בשיווי משקל עם המאגר שבו הם נמצאים מאז היווצרותם. לעיתים יש צורך לבצע בדיקה בכמה שיטות שונות על מנת לוודא את גיל הדגימה.
הדיוק של שיטת תיארוך תלוי חלקית בזמן מחצית החיים של האיזוטופ הנבדק. לדוגמה, לפחמן-14 יש זמן מחצית חיים של פחות מ-6,000 שנים. לאחר שיצור היה מת במשך יותר מ-60,000 שנים, ריכוזו של הפחמן-14 בדגימה קטן מכדי לתת אות ברור על רקע רעשי המדידה. מצד שני, הריכוז של פחמן-14 יורד בתלילות עד שניתן לקבוע בדיוק של כמה עשורים את הגיל של שאריות צעירות יחסית. לאיזוטופ שעושים בו שימוש בתיארוך אורניום-אורניום יש זמן מחצית חיים ארוך יותר, אולם גורמים אחרים הם שהופכים אותו ליותר מדויק מתיארוך פחמן-14.
כמו כן, תיארוך מדויק יותר מתאפשר הודות להצלבת מספר שיטות תארוך עם יסודות שונים.

שיטות תיארוך מודרניות

ניתן לבצע תיארוך רדיומטרי על דגימות קטנות ביותר (כמיליארדית הגרם) בעזרת שימוש בספקטרומטר מסות. מכשיר זה הומצא בשנות ה-40 והשימוש בו במסגרת תיארוך רדיומטרי החל בשנות ה-50. המכשיר פועל על ידי יצירת קרן של אטומים מיוננים מהדגימה הנבדקת. היונים עוברים דרך שדה מגנטי, המסיט אותם לכיוון חיישני דגימה שונים, הידועים בתור "גביעי פאראדיי", באופן התלוי במסה ובדרגת היינון שלהם. כשהם פוגעים בגביעים, היונים יוצרים זרם חשמלי חלש מאוד שיכול להימדד על מנת לקבוע את שיעור הפגיעות ואת הריכוזים היחסיים של האטומים השונים בקרניים.

שיטות לתיארוך ארוך-טווח

שיטת התיארוך מסוג תיארוך אורניום-עופרת היא אחת הוותיקות ביותר, כמו גם אחת מהמדויקות ביותר. היא שוכללה עד לנקודה שבה טעות בתיארוך של סלעים בני יותר משלושה מיליארדי שנים היא לא יותר משני מיליוני שנים. תיארוך אורניום-עופרת מבוצע בדרך כלל על המינרל זירקון (ZrSiO₄), אולם ניתן לעשות בו שימוש גם על מינרלים אחרים. זירקון קולט אטומי אורניום לתוך המבנה הגבישי שלו כמחליפים לזירקוניום, אבל דוחה בעוצמה עופרת. לזירקון יש טמפרטורת חסימה (הטמפרטורה שמתחתיה אינם חופשיים לעזוב את המינרל, כך שהשעון הרדיומטרי מתחיל לפעול) גבוהה מאוד, עמידות בפני שבירה מכנית ואדיש מבחינה כימית במידה רבה. כמו כן, זירקון יוצר מספר רב של שכבות גבישיות במהלך אירועים מטאמורפיים, כאשר כל אחד מהם יכול להוות עדות לגיל איזוטופי של האירוע. ניתן להשיג אנליזה מקומית של המיקרו-קרן באמצעות שיטות הלייזר ICP-MS אוSIMS.
אחד מיתרונותיו המשמעותיים הוא שכל דגימה מספקת שני שעונים, אחד המבוסס על התפרקות אורניום 235 לעופרת-207 עם זמן מחצית חיים של 700 מיליוני שנים בקירוב, ואחד המבוסס על התפרקות אורניום-238 לעופרת-206 עם זמן מחצית חיים של 4.5 מיליארדי שנים בקירוב, דבר המספק בדיקת הצלבה מובנית שמאפשרת לקבוע בדייקנות את גיל הדגימה גם אם חלק מהעופרת אבד.
לעיתים עושים שימוש בשתי שיטות רדיומטריות אחרות על מנת לבצע תיארוך ארוך-טווח. תיארוך אשלגן-ארגון כרוך בלכידת אלקטרונים או דעיכת פוזיטרונים של אשלגן-40 לארגון-40. לאשלגן-40 יש זמן מחצית חיים של 1.3 מיליארדי שנים בקירוב, כך ששיטה זו ישימה לסלעים העתיקים ביותר. אשלגן-40 רדיואקטיבי נפוץ בנציצים, פצלות השדה, והורנבלנדות, למרות שטמפרטורת החסימה בחומרים אלה היא נמוכה מאוד (בערך 125 מעלות צלזיוס בנציצים עד 450 מעלות בהורנבלנדות).
תיארוך רובידיום-סטרונציום מבוסס על התפרקות בטא של רובידיום-87 לסטרונציום-87, עם זמן מחצית חיים של 50 מיליארדי שנים בקירוב. עושים שימוש בשיטה זו על מנת לתארך סלעי יסוד וסלעים מותמרים, כמו גם לתיארוך של דגימות מהירח. טמפרטורות החסימה הן כה גבוהות עד כדי כך שאינן מהוות שיקול. תיארוך רובידיום-סטרונציום אינו מדויק כמו שיטת אורניום-עופרת, עם טעויות של 30 עד 50 מיליוני שנים עבור דגימה בת 3 מיליארדי שנים.

תיארוך עם נוקלידים רדיואקטיביים קצרי ימים שאינם קיימים יותר

בתקופה שלאחר היווצרות מערכת השמש היו בה מספר נוקלידים רדיואקטיביים קצרי ימים כגון ²⁶Al, ⁶⁰Fe, ⁵³Mn ו-¹²⁹I, שקודם לכן בערפילית השמש. הנוקלידים הרדיואקטיביים האלה – שייתכן ונוצרו על ידי פיצוץ של סופרנובה – לא קיימים היום אולם ניתן לאתר את תוצרי הדעיכה שלהם בחומרים הקיימים מאז ראשית קיומה של מערכת השמש, כגון מטאוריטים. באמצעות מדידת תוצרי הדעיכה של נוקליד רדיואקטיבי שאיננו קיים עם ספקטרומטר מסות ושימוש בתרשימים איזוכרוניים, ניתן לקבוע זמנים יחסיים בין מאורעות שונים בהיסטוריה המוקדמת של מערכת השמש. ניתן לכייל שיטות תיארוך המבוססות על נוקלידים רדיואקטיביים שאינם קיימים עם שיטת אורניום-עופרת על מנת לתת טווח מדויק.