בשלהי המאה התשע-עשרה, גילוי הרדיואקטיביות איפשר אפילו אומדנים מדויקים עוד יותר של גיל כדור הארץ. ראוי לדון בפירוט בתהליך זה, המאפשר לקבוע את תאריך היווצרותו לא רק של כדור הארץ, אלא גם סלעים המגיעים מעולמות אחרים, כגון סלעי ירח או מטאוריטים. תיארוך כזה שופך אור על כל מערכת השמש שלנו ואפילו על היקום עצמו.
באדיבות וויקפדיה
גילוי הרדיואקטיביות התרחש במקרה. בשנת 1896 הותיר הפיסיקאי הצרפתית אנטואן בקרל כמה לוחות צילום במגירה עם כמה מינרלים של אורניום. מאוחר יותר הוא פתח את המגירה ומצא על הלוחות סימנים מעורפלים. בהיותו מדען טוב, הוא לא התעלם מהאירוע, אלא העמיק חקור. הוא מצא כי האורניום פלט "קרניים", שבדומה לצילומי רנטגן (שהתגלו שנה קודם לכן), יכולים לעבור דרך קרטון. התברר כי "הקרניים" החדשות אינן קרינה אלקטרומגנטית, כמו אור אולטרה סגול או צילומי רנטגן, אלא חלקיקים אנרגטיים הנפלטים מאטומים לא יציבים. נראה כי תגלית מפתיעה זו אינה שייכת לשום חלק בשיטה המדעית, בדומה למספר תגליות חשובות שקרו במקרה. דוגמאות לכך כוללות צילומי קרינת x של רנטגן ופניצילין על ידי פלמינג. המדען חד העין יצליח לזהות תופעות בלתי צפויות. לעתים קרובות, הם ימצאו שמקורן בפגמים בציוד. אך מדי פעם, הם יגלו תגלית חשובה. מדען פחות קפדן מבקרל היה אולי רואה את התצלומים הערפילים, מושך בכתפיו וממשיך בעבודתו. לואי פסטר ניסח זאת כך: "המזל מעדיף מוח מוכן".
לפניכם תיאור הדרך שבה פועלת הרדיואקטיביות. אטום רדיואקטיבי הוא אטום בלתי יציב המשתנה באופן ספונטני (בדרך כלל לצורה יציבה יותר), על ידי פליטת חלקיק אחד או יותר מגרעין האטום. האטום המקורי הופך ליסוד חדש (שינוי במספר הפרוטונים בגרעין) או לצורה חדשה של אותו יסוד, הנקראת איזוטופ (שינוי במספר הנויטרונים בגרעין). האטום המקורי נקרא האיזוטופ האם והאטום החדש נקרא איזוטופ הבת.
הזמן הדרוש למחצית האטומים של איזוטופ אם רדיואקטיבי כלשהו להפוך לאיזוטופ בת נקרא "זמן מחצית החיים" של היסוד הרדיואקטיבי. אם יש לנו מיליארד אטומים של איזוטופ אם בדגימה מסוימת של מינרלים, חצי מיליארד יישארו אחרי זמן מחצית חיים, רבע מיליארד אחרי פעמיים זמן מחצית החיים, וכן הלאה. לפעמים התוצאה של הדעיכה היא יסוד רדיואקטיבי נוסף, כך שהדעיכה נמשכת. אבל בכל מקרה המוצר הסופי של הדעיכה או שרשרת דעיכות הוא יסוד יציב.
ברשימה הבאה יש כמה דוגמאות של זמן מחצית חייהם של יסודות לא יציבים. המספר אחרי שם היסוד הוא המשקל האטומי של האיזוטופ – סכום מספר הפרוטונים והניטרונים בגרעין.
• רובידיום 87 – דועך לסטרונציום 87 עם זמן מחצית חיים של 49 מיליארד שנים.
• אורניום 238 – דועך (בסדרה של צעדים) לעופרת 206 עם זמן מחצית חיים של 4.5 מיליארד שנים.
• אשלגן 40 – דועך לארגון 40 עם זמן מחצית חיים של 1.25 מיליארד שנים.
• פחמן 14 – דועך לחנקן 14 עם זמן מחצית חיים של 5570 שנים בלבד.
רדיואקטיביות היא תהליך אקראי. משמעות הדבר היא כי לא ניתן לקבוע את הזמן המדויק שבו דועכים אטומים בודדים. עם זאת, ניתן לקבוע במדויק את הזמן הממוצע עבור דעיכה של מחצית ממספר גדול מאוד של אטומים. במילים אחרות, מושג זמן מחצית החיים הוא בעל משמעות סטטיסטית בלבד. בואו ניקח דוגמה יומיומית. אם היה לך מחבת להכנת פופקורן, ניתן היה למדוד את הזמן שבו חצי מהגרעינים היו מוכנים. אם תחזור על הניסוי פעמים רבות תמצא את "זמן מחצית החיים של פופקורן", זה יהיה מספר שנמדד היטב. עם זאת, זה יהיה בלתי אפשרי לך לנעוץ מבט בגרעין מסוים ולנבא מתי הוא יהיה מוכן. מצב זה דומה לדעיכה רדיואקטיבית אקראי ברמה התת-אטומית.
בתחילת המאה העשרים, הבינו הפיזיקאים שתהליך הדעיכה הרדיואקטיבי יכול לסייע בקביעת התאריך שבו נוצר סלע נתון. לפניכם תיאור השיטה. נניח שנוכל לקבוע את המספר המקורי של איזוטופ האם ואיזוטופ הבת בסלע בזמן היווצרות הסלע. ניתן לעשות זאת על ידי ספירת המספרים היחסיים של איזוטופים שונים במינרלים של הסלע. לאחר מכן, אם נצליח לספור את מספר האיזוטופים של אם והבת בסלע כיום, הרי שניתן לחשב כמה אטומי אם דעכו לאטומי בת. ומכאן ניתן לחשב את גיל הסלע. לדוגמה, אם מחצית מאטומי האם דעכו, הרי גיל הסלע שווה לזמן מחצית החיים של היסוד הרדיואקטיבי הנחקר. טכניקה זו של תיארוך סלעים נקראת תיארוך רדיואקטיבי. תיארוך רדיואקטיבי היא טכניקה רבת עוצמה המשמשת בכל תחומי המדע. מאחר שליסודות רדיואקטיביים יש מחצית חיים הנעים בין שבריר של שנייה למיליארדי שנים, אנו בוחרים באיזוטופ האב בעל זמן חצי חיים הדומה לגיל המשוער של התופעה הנחקרת.
דוגמה אחת חשובה היא השימוש באיזוטופ הפחמן למדידת הגילאים של חומרים אורגניים. כל גוף חי מורכב מפחמן – בעלי חיים צורכים פחמן בעזרת המזון שלהם. צמחים מכילים פחמן בעזרת הפחמן הדו חמצני הם סופגים מן האוויר. רוב הפחמן הוא בצורת יציבה של פחמן- 12. עם זאת בסביבה הטבעית של פחמן אחד ממיליון אטומים הוא איזוטופ פחמן- 14, אשר זמן מחצית חיים שלו 5570 שנים. כאשר החיים מסתיימים, לא נוסף פחמן 14 והכמות שלו פוחתת בהתמדה על ידי דעיכה רדיואקטיבית. החלק הנותר של פחמן 14 מאפשר הערכה טובה של הזמן מאז מת החומר חי. כך אנו יודעים את הגיל של כלי עשוי עץ הנלקח מתוך קבר מצרי. במקרה אחר ידוע, התכריך של טורינו – שנחשב שנים רבות לבד קבורה של ישו – אך הוכח כי זו הונאה והבד יוצר רק במאה ה -12. באמצעות רעיון זה ואיזוטופ אחר עם מחצית חיים ארוכה יותר, אנו יכולים למדוד את הגיל של מאובני דינוזאורים.