Fisjonsspor – På sporet av ustabile urankjerner

KJM3900 prosjektoppgave våren 2015

Skrevet av Maria Mykland

At enkelte radioaktive stoffer kan brukes til å si noe om alder på ulike gjenstander eller steiner er ikke noe nytt, og en meget utbredt metode. Men det finnes også andre måter og kunne bestemme dette på, en av disse er fisjonsspor som tar for seg å måle skaden enkelte ustabile urankjerner har gjort etter fisjon på utvalgte krystaller.

Hva er fisjonsspor og hvordan dannes de

Fisjonsspor er et slags spor på omkring 0,015millimeter, som forekommer i mineraler som inneholder den ustabile nukliden uran-238. Ettersom den er ustabil vil den sende ut radioaktiv stråling til den oppnår en mer stabil tilstand. En mer stabil tilstand kan oppnås på to måter, hvor den absolutt vanligste er at den starter en lang rekke av alfa(α)- og beta(β)stråling før den til slutt ender opp som bly-206, som er stabilt. (Fig. 1).

På det første trinnet i figuren ser man uran-238, om uran-238 velger å «gå ned» et trappetrinn vil vi ikke lenger ha uran-238 men thorium-234. Dette skyldes at det er dårlig plass i kjernen, og for å løse dette problemet kvitter kjernen seg med litt masse, som i dette tilfelle er en alfa-partikkel. Samtidig som kjernen kvitter seg med masse frigjøres litt energi i dette trappetrinnet. En slik reaksjon vil ikke kunne gjøre noe særlig skade på krystallen, ettersom en så stor partikkel som et thorium-atom kommer ikke langt, og α-partikkelen er såpass liten at det er begrenset hva den kan skade. (Det blir litt som å kaste hønsefjær på en stor steinblokk i håp om at den skal flytte seg. En β-partikkel blir som å kaste støv) Men hva skjer om uran-238 kan dele seg i to mindre nuklider i en reaksjon som frigjør mye mer energi?

En slik type reaksjon finnes faktisk og kalles spontanfisjon. Dette er en reaksjon som forekommer mye sjeldnere, det skjer med omtrent 1 av 2,2 millioner uran-238 nuklider. Under en fisjons-prosess vil en større nuklide splittes til to mindre nuklider, disse kan ikke være samme nuklide, men vil ha omtrent samme størrelse.  Et eksempel på en slik reaksjon er

Energien som blir frigitt i reaksjonen tilsvarer omtrent 40 ganger det som ble frigjort i reaksjonen med alfa-stråling. Disse mellomstore nuklidene vil da kunne gjøre betydelig skade på krystallen. (Blir litt mer som å skyte med små kanonkuler) Men det som virkelig er essensielt er at når disse nuklidene brøyter seg frem (omtrentlig 0,007 millimeter i hver sin retning) og lager en slags «korridor», drar de med seg elektroner fra omgivelsene, slik at begge sidene blir positivt ladde, og dermed vil frastøte hverandre.

Fisjonsspor er i størrelsesorden på omtrent 0,015 millimeter, og størrelsen på dem avhenger av alder. Jo eldre de er, desto større er de. Ved økende alder blir det også dannet flere av dem, fordi det har forekommet et større antall av spontanfisjoner. Sporene er omtrent 10 nanometer (10-9 meter) brede og kan ses i et elektronmikroskop.

Forekomst av fisjonsspor

Som sagt forekommer fisjonsspor i alle mineraler hvor en viss mengde av uran forekommer. Det skjer ved at uran erstatter noen av de opprinnelige komponentene i mineralet, som i tilfellet med apatitt vil være kalsium (Ca). I tillegg er det også viktig at mineralet er en isolator (leder ikke strøm) fordi et mineral som kan lede strøm vil ha en flyt av elektroner som gjør at sporet ikke blir bevart (samme prinsipp som om du drar hånden din langs en vannoverflate). Det vanligste mineralet å bruke for denne typen datering er apatitt (Ca5(PO4)3(OH,F,Cl)), men mineraler som titanitt(CaTiSiO5) og zirkon(ZrSiO4) kan også brukes. Men om mineralet skulle bli varmet over en viss temperatur (mellom 70-120  for apatitt) vil mineralet kunne reparere seg selv og sporene vil minke før de forsvinner helt

Dateringsmetode

For datering av apatitt brukes en såkalt populasjonsmetode. Den går ut på at man har to populasjoner med apatittkorn fra samme forekomst. Den ene av disse populasjonene vil man telle og måle størrelsen på sporene, mens den andre populasjonen blir varmet opp til 600 grader  i seks timer, slik at alle sporene er borte. Deretter blir nye fisjonsspor indusert fra en kjent nøytron-emitter til forekomsten(tettheten) av spor er lik med den opprinnelige populasjonen. Videre festes korn fra begge populasjonene i et slags lim som kalles epoxi, og overflaten slipes ned. Deretter behandles dette med 10% salpetersyre i 20-30 sekunder for å gjøre sporene optisk synlige før de studeres i mikroskop. Til slutt telles 50 fisjonsspor fra hver populasjon, hvor man måler størrelse på fisjonssporene og hvor tett de forekommer, og ut ifra dette kan en alder bestemmes. Denne alderen forteller om hvor lenge apatitten har vært under 120 grader. Lignende metoder brukes for titanitt og zirkon, men de er mer omstendelige.

 Fisjonsspor vs. aldersdatering med uran-bly

En aldersbestemmelse med uran-bly-datering foregår ved at man måler innhold av uran og bly og beregner forholdet mellom dem (Uran-238/Bly-206), størrelsen på dette forholdstallet vil da kunne si noe om alderen. Er krystallen veldig ung har dem mye uran og lite bly og forholdstallet blir stort. Er derimot krystallen veldig gammel har den lite uran og mye bly og forholdstallet blir lite.

For at et mineral skal kunne brukes til aldersdatering med uran-bly må fire kriterier oppfylles

  1. Det inneholder uran
  2. Alt av bly i mineralet må komme fra nedbryting av uran, altså må det ikke ta opp noe ekstra bly i strukturen.
  3. System må være lukket, ikke noe ekstra tilførsel eller utslipp av uran, bly eller noen av de intermediære nuklidene. Dvs. Tar et mineral opp både uran-238 (start nukliden) og uran-234 (intermediær nuklide) vil begge til slutt bli 206-bly, noe som lager kluss i systemet
  4. Mineralet må være utbredt. (Altså det finnes overalt)

Det mineralet som oppfyller disse kravene best er zirkon, ettersom det ikke begynner å miste bly før rundt 900 grader. Den alderen som denne dateringen vil gi, vil da være hvor lenge mineralet har vært under 900 grader. Dette vil som regel være det som kalles protolittisk alder på en bergart (hvor lengde siden den kom opp av mantelen og størknet). Men det er mange geologiske omdanningsprosesser som skjer ved langt under 900 grader. Disse prosessene kan da ikke dateringen av zirkon si noe om.

Når det gjelder apatitt i forhold til uran-bly datering kommer den greit ut i forhold til punkt 1 og 4, men spesielt punkt 2 er et problem ettersom bly (Pb2+) ikke har noe problem med å erstatte kalsium (Ca2+) i strukturen når mineralet dannes. (Dette er derimot ikke et problem i zirkon (Zr4+) på grunn av ulik ladning). Selve alderen beregnes fra forholdet mellom uran og bly, og inneholder apatitten mer bly enn den skal, vil bergarten bli datert til å være eldre enn den virkelig er.

Det geniale med fisjonsspor er da selvfølgelig at punkt 2 blir uvesentlig ettersom det er kun resultatet av spontan fisjon vi ser på. Fisjonsspor er en såkalt lav-termisk daterings metode som brukes til å datere hendelser som skjer ved lave temperaturer (50  til 150 grader) for en bergart ettersom den er meget temperatursensitiv. En annen viktig faktor er at den også kan brukes til å datere mer nylige hendelser enn uran-bly datering. (Dette skyldes av uran-238 har så lang halveringstid (4,5 milliarder år) at usikkerheten ved en datering gjerne ligger på omtrent en halv til 1 million år)

Så selv om det ofte er av interesse og finne en bergarts geologiske alder, ønsker vi også finne ut når eventuelle oppvarmingsprosesser fant sted. Dette kan nemlig hjelpe i å si noe om hva som har skjedd med et større område. Finnes det lignende hendelser som har skjedd i nesten samme tidsrom er det stor sannsynlig at det bare er en del av en større prosess. Og få kartlagt slike prosesser er ofte av økonomisk interesse, spesielt med tanke på gruve- og petroleumsindustrien.

Per dags dato drives det ikke med fisjonsspor-datering på Universitet i Oslo.

 

Vil du vite mer:

http://www2.le.ac.uk/research/festival/meet/2013/geosciences/szameitat/thermochronology

Bildekilde: http://www.uib.no/en/project/tectonics/57057/fission-track-laboratory

Av Maria Mykland
Publisert 26. nov. 2015 22:54 - Sist endret 4. des. 2019 15:49