Датирование электронного спинового резонанса

Датирование электронным спиновым резонансом , или датирование ЭПР , — это метод, используемый для датирования материалов, которые не может дать радиоуглеродный датирование , включая минералы (например, карбонаты , силикаты , сульфаты ), биологические материалы (например, зубную эмаль ), археологические материалы (например, керамику) и продукты питания. . ^{[ 1 ]} Датирование методом электронного спинового резонанса было впервые представлено научному сообществу в 1975 году, когда японский физик-ядерщик Мотодзи Икея датировал образование в пещере Акиёси в Японии . ^{[ 2 ]} Датирование методом ЭПР измеряет количество неспаренных электронов в кристаллических структурах, которые ранее подвергались воздействию естественной радиации. Возраст вещества можно определить, измеряя дозу радиации с момента его образования. ^{[ 3 ]}

Приложения

Датирование методом электронного спинового резонанса используется в таких областях, как радиационная химия, биохимия, а также геология, археология и антропология. ^{[ 4 ]} ЭПР-датирование используется вместо радиоуглеродного датирования или радиометрического датирования , поскольку ЭПР-датирование может применяться к материалам, отличным от других методов, а также охватывать разные возрастные диапазоны. ^{[ 1 ]} Датирование по ЭПР использовалось для датировки окаменелых зубов. ^{[ 5 ]} Датировка закопанных человеческих зубов послужила основой для датировки человеческих останков. ^{[ 2 ]} Исследования были использованы для датировки обожженного кремня и кварца, обнаруженных в некоторых древних керамических изделиях. ^{[ 6 ]} Датирование ЭПР широко применялось для датировки гидротермальных источников. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} а иногда и для добычи полезных ископаемых. ^{[ 10 ]} Новые приложения для датирования ESR включают датирование предыдущих землетрясений по разломам , прошлых извержений вулканов , тектонической активности вдоль береговых линий, ^{[ 11 ]} течение жидкости в аккреционных призмах и холодные просачивания . ^{[ 12 ]}

ЭПР-датирование можно применять к вновь образовавшимся материалам или ранее нагретым образцам. ^{[ 11 ]} пока нагрев ниже температуры закрытия или время нагрева намного короче характерного времени затухания. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} Температура смыкания кварца в граните составляет около 30–90 °С. ^{[ 13 ]} а барита около 190–340 °С. ^{[ 12 ]} для датирования СОЭ.

Процесс знакомства

Датирование по электронному спиновому резонансу можно охарактеризовать как датирование по захваченному заряду. Радиоактивность заставляет отрицательно заряженные электроны переходить из основного состояния , валентной зоны, на более высокий энергетический уровень в зоне проводимости. Через короткое время электроны в конечном итоге рекомбинируют с положительно заряженными дырками, оставшимися в валентной зоне. ^{[ 6 ]} Захваченные электроны образуют парамагнитные центры и вызывают определенные сигналы, которые можно обнаружить с помощью ЭПР-спектрометрии. ^{[ 2 ]} Количество захваченных электронов соответствует величине сигнала ЭПР. Этот сигнал ЭПР прямо пропорционален количеству захваченных электронов в минерале, дозировке радиоактивных веществ и возрасту. ^{[ 2 ]}

Расчет возраста СОЭ

Возраст электронного спинового резонанса вещества находится из следующего уравнения:

$D_{E}=\int _{0}^{T}D(t).dt$

где D _E — эквивалентная доза, или палеодоза (в Греях или Гр), т.е. количество радиации, полученное образцом за время, прошедшее между обнулением часов СОЭ (t = 0) и отбором проб (t = T). . D(t) — мощность дозы (обычно в Гр/ка или микроГр/год), которая представляет собой среднюю дозу, поглощенную образцом за 1 год. Если D(t) считается постоянным во времени, то уравнение можно выразить следующим образом:

$T=D_{E}/D$ ^{[ 2 ]}

В этом сценарии T — это возраст образца, т.е. время, в течение которого образец подвергался воздействию естественной радиоактивности с момента последнего сброса сигнала СОЭ. Это происходит за счет высвобождения захваченного заряда, т.е. обычно за счет растворения/рекристаллизации, нагревания, оптического отбеливания или механического напряжения. ^{[ 14 ]}

Определение накопленной дозы

Накопленная доза находится методом аддитивной дозы. ^{[ 3 ]} и с помощью спектрометрии электронного спинового резонанса (ЭПР). ^{[ 2 ]} Это когда образец помещается во внешнее магнитное поле и облучается определенными дозами микроволн. ^{[ 2 ]} что изменяет энергетический уровень магнитных центров (меняет вращение спина) либо на такой же, либо противоположный окружающему магнитному полю. ^{[ 4 ]} Изменение магнитных свойств происходит только на определенных уровнях энергии, и для определенных микроволновых частот существуют определенные магнитные силы, которые вызывают эти изменения (резонанс). ^{[ 2 ]} Расположение линии ЭПР в спектре соответствует соотношению (значению g) микроволновой частоты и напряженности магнитного поля, используемому в спектрометрии. ^{[ 2 ]} Поскольку происходит экстраполяция интенсивности ЭПР к нулю, можно определить накопленную дозу. ^{[ 3 ]}

Определение годовой мощности дозы

Мощность дозы находится путем суммирования концентраций радиоактивных материалов в пробе (мощность внутренней дозы) и окружающей ее среде (мощность внешней дозы). Дозы внутренней и внешней радиоактивности необходимо рассчитывать отдельно из-за различий между ними. ^{[ 2 ]}

Факторы, которые следует учитывать при расчете радиоактивности:

Концентрация урана, тория и калия ^{[ 3 ]}
Энергии альфа-, бета- и гамма-лучей урана-238 и тория-232. ^{[ 4 ]}
Поправочные коэффициенты, связанные с содержанием воды, геометрией образца, его толщиной и плотностью.
Мощность дозы космических лучей – зависит от географического положения и толщины покровных отложений (300 пГр/год на уровне моря) ^{[ 2 ]}

Надежность

Захваченные электроны имеют ограниченный период времени только тогда, когда они находятся на стадиях промежуточного энергетического уровня. Через определенный интервал времени или колебания температуры захваченные электроны вернутся в свои энергетические состояния и рекомбинируют с дырками. ^{[ 2 ]} Рекомбинация электронов с их дырками незначительна лишь в том случае, если средний срок жизни в десять раз превышает возраст датируемого образца. ^{[ 2 ]} Новые случаи нагревания могут стереть предыдущие возрасты СОЭ ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}^{[ 15 ]} поэтому в средах с множественными эпизодами нагревания, например, в гидротермальных источниках , с помощью ЭПР-датирования можно датировать только вновь образовавшиеся минералы, но не более старые минералы. Это объясняет, почему образцы из одного и того же гидротермального источника могут давать разный возраст ЭПР. ^{[ 9 ]} В средах с несколькими фазами минералообразования , как правило, датирование методом ЭПР дает средний возраст основного минерала, в то время как радиометрические даты смещены в сторону возраста более молодых фаз из-за распада родительских ядер . ^{[ 9 ]}^{[ 12 ]}

См. также

Электронный парамагнитный резонанс

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Икея, Мотодзи (1989). «Обзор использования спектрометрии электронного спинового резонанса в микроскопии, датировании и дозиметрии» . Аналитические науки . 5 (1): 5–12. дои : 10.2116/analsci.5.5 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м Грюн, Райнер (1991). «Датирование по электронному спиновому резонансу и эволюция современного человека» (PDF) . in-africa.org . Проверено 20 октября 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Радтке, Ульрих; Грюн, Райнер; Шварц, Генри П. (1988). «Датирование методом электронного спинового резонанса плейстоценовых коралловых рифов Барбадоса». Четвертичные исследования . 29 (3): 197–215. Бибкод : 1988QuRes..29..197R . дои : 10.1016/0033-5894(88)90030-0 . S2CID 129744529 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Икея, М. (1 января 1993 г.). Новые применения электронного спинового резонанса: датирование, дозиметрия и микроскопия . Всемирная научная. ISBN 9789810212001 .
^ КОСТА РИБЕЙРУ, Рикардо да; Киношита, Анжела; Араужо-Жуниор, Эрминиу Исмаэль де; Фигейредо, Ана Мария Грасиано; Соуза Карвалью, Исмар де; Баффа, Освальдо (декабрь 2021 г.). «ERR-обнаружение зубов токсодона в Байша-Гранде, Баия, Бразилия» . Журнал южноамериканских наук о Земле . 112 : 103616. doi : 10.1016/j.jsames.2021.103616 . Получено 27 апреля 2024 г. - через Elsevier Science Direct.
^ Jump up to: ^а ^б Грюн, Райнер (1 января 1997 г.). «Датирование электронного спинового резонанса». В Тейлоре, RE; Эйткен, Мартин Дж. (ред.). Хронометрическая датировка в археологии . Достижения археологического и музейного дела. Спрингер США. стр. 217–260. дои : 10.1007/978-1-4757-9694-0_8 . ISBN 978-1-4757-9696-4 .
^ Такамаса, Асако; Накаи, Шуничи; Сато, Фумихиро; Тойода, Шин; Банерджи, Дебабрата; Исибаши, Дзюнъитиро (февраль 2013 г.). «Радиоактивное неравновесие U – Th и ЭПР-датирование баритсодержащей сульфидной коры Южно-Марианского прогиба» . Четвертичная геохронология . 15 : 38–46. дои : 10.1016/j.quageo.2012.12.002 . S2CID 129020357 .
^ Окумура, Тасуку, Син; Сато, Фумихиро; Исибаши, Дзюн-Ичиро, Шуничи (1 января 2010 г.) Датирование морского барита в дымоходах, отложенных из гидротермальных источников» . « . 37 (–1): 57–61 doi : 10.2478/v10003-010-0019- z ISSN 1897-1695 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Фудзивара, Тайсей, Учида, Ай; Исибаши, Дзюнъитиро, Такамаса, Асако (2015), Исибаши, Дзюнъитиро; Сунамура, Мичинари (ред.) «ЭПР-датирование барита в гидротермальных сульфидных месторождениях морского дна в Окинавском прогибе», Подводная биосфера, связанная с гидротермальными системами , Токио: Springer Japan, стр. 369–386, doi : 10.1007/978-4-431-54865-2_29 , ISBN 978-4-431-54864-5
^ Шараф, Массачусетс; Хасан, Гамаль М. (октябрь 2004 г.). «Радиационно-индуцированный радикал в сульфате бария для дозиметрии СОЭ: предварительное исследование» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 225 (4): 521–527. дои : 10.1016/j.nimb.2004.05.025 .
^ Jump up to: ^а ^б Ринк, WJ (5 декабря 1997 г.). «Датирование электронного спинового резонанса (ЭПР) и применение ЭПР в четвертичной науке и археометрии». Измерения радиации . 27 (5–6): 975–1025. Бибкод : 1997РадМ...27..975Р . дои : 10.1016/S1350-4487(97)00219-9 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Цанг, Мань-Инь; Тойода, Шин; Томита, Макико; Ямамото, Юдзуру (01 августа 2022 г.). «Термическая стабильность и температура смыкания барита для датирования электронным спиновым резонансом» . Четвертичная геохронология . 71 : 101332. doi : 10.1016/j.quageo.2022.101332 . ISSN 1871-1014 . S2CID 248614826 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Тойода, Шин; Икея, Мотодзи (1991). «Термическая стабильность парамагнитных дефектов и примесных центров в кварце: основа ЭПР-датирования термической истории» . Геохимический журнал . 25 (6): 437–445. дои : 10.2343/geochemj.25.437 .
^ Икея, Мотодзи (1993). Новые применения электронного спинового резонанса . Всемирная научная. ISBN 978-981-4317-21-4 .
^ Додсон, Мартин Х. (1973). «Температура закрытия в системах охлаждения геохронологических и петрологических систем» . Вклад в минералогию и петрологию . 40 (3): 259–274. дои : 10.1007/bf00373790 . ISSN 0010-7999 . S2CID 98752462 .

[:5-1] Jump up to: ^а ^б Икея, Мотодзи (1989). «Обзор использования спектрометрии электронного спинового резонанса в микроскопии, датировании и дозиметрии» . Аналитические науки . 5 (1): 5–12. дои : 10.2116/analsci.5.5 .

[:1-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м Грюн, Райнер (1991). «Датирование по электронному спиновому резонансу и эволюция современного человека» (PDF) . in-africa.org . Проверено 20 октября 2015 г.

[:4-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Радтке, Ульрих; Грюн, Райнер; Шварц, Генри П. (1988). «Датирование методом электронного спинового резонанса плейстоценовых коралловых рифов Барбадоса». Четвертичные исследования . 29 (3): 197–215. Бибкод : 1988QuRes..29..197R . дои : 10.1016/0033-5894(88)90030-0 . S2CID 129744529 .

[:0-4] Jump up to: ^а ^б ^с Икея, М. (1 января 1993 г.). Новые применения электронного спинового резонанса: датирование, дозиметрия и микроскопия . Всемирная научная. ISBN 9789810212001 .

[5] КОСТА РИБЕЙРУ, Рикардо да; Киношита, Анжела; Араужо-Жуниор, Эрминиу Исмаэль де; Фигейредо, Ана Мария Грасиано; Соуза Карвалью, Исмар де; Баффа, Освальдо (декабрь 2021 г.). «ERR-обнаружение зубов токсодона в Байша-Гранде, Баия, Бразилия» . Журнал южноамериканских наук о Земле . 112 : 103616. doi : 10.1016/j.jsames.2021.103616 . Получено 27 апреля 2024 г. - через Elsevier Science Direct.

[:3-6] Jump up to: ^а ^б Грюн, Райнер (1 января 1997 г.). «Датирование электронного спинового резонанса». В Тейлоре, RE; Эйткен, Мартин Дж. (ред.). Хронометрическая датировка в археологии . Достижения археологического и музейного дела. Спрингер США. стр. 217–260. дои : 10.1007/978-1-4757-9694-0_8 . ISBN 978-1-4757-9696-4 .

[7] Такамаса, Асако; Накаи, Шуничи; Сато, Фумихиро; Тойода, Шин; Банерджи, Дебабрата; Исибаши, Дзюнъитиро (февраль 2013 г.). «Радиоактивное неравновесие U – Th и ЭПР-датирование баритсодержащей сульфидной коры Южно-Марианского прогиба» . Четвертичная геохронология . 15 : 38–46. дои : 10.1016/j.quageo.2012.12.002 . S2CID 129020357 .

[8] Окумура, Тасуку, Син; Сато, Фумихиро; Исибаши, Дзюн-Ичиро, Шуничи (1 января 2010 г.) Датирование морского барита в дымоходах, отложенных из гидротермальных источников» . « . 37 (–1): 57–61 doi : 10.2478/v10003-010-0019- z ISSN 1897-1695 .

[:6-9] Jump up to: ^а ^б ^с Фудзивара, Тайсей, Учида, Ай; Исибаши, Дзюнъитиро, Такамаса, Асако (2015), Исибаши, Дзюнъитиро; Сунамура, Мичинари (ред.) «ЭПР-датирование барита в гидротермальных сульфидных месторождениях морского дна в Окинавском прогибе», Подводная биосфера, связанная с гидротермальными системами , Токио: Springer Japan, стр. 369–386, doi : 10.1007/978-4-431-54865-2_29 , ISBN 978-4-431-54864-5

[10] Шараф, Массачусетс; Хасан, Гамаль М. (октябрь 2004 г.). «Радиационно-индуцированный радикал в сульфате бария для дозиметрии СОЭ: предварительное исследование» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 225 (4): 521–527. дои : 10.1016/j.nimb.2004.05.025 .

[:2-11] Jump up to: ^а ^б Ринк, WJ (5 декабря 1997 г.). «Датирование электронного спинового резонанса (ЭПР) и применение ЭПР в четвертичной науке и археометрии». Измерения радиации . 27 (5–6): 975–1025. Бибкод : 1997РадМ...27..975Р . дои : 10.1016/S1350-4487(97)00219-9 .

[:7-12] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Цанг, Мань-Инь; Тойода, Шин; Томита, Макико; Ямамото, Юдзуру (01 августа 2022 г.). «Термическая стабильность и температура смыкания барита для датирования электронным спиновым резонансом» . Четвертичная геохронология . 71 : 101332. doi : 10.1016/j.quageo.2022.101332 . ISSN 1871-1014 . S2CID 248614826 .

[:8-13] Jump up to: ^а ^б ^с Тойода, Шин; Икея, Мотодзи (1991). «Термическая стабильность парамагнитных дефектов и примесных центров в кварце: основа ЭПР-датирования термической истории» . Геохимический журнал . 25 (6): 437–445. дои : 10.2343/geochemj.25.437 .

[14] Икея, Мотодзи (1993). Новые применения электронного спинового резонанса . Всемирная научная. ISBN 978-981-4317-21-4 .

[15] Додсон, Мартин Х. (1973). «Температура закрытия в системах охлаждения геохронологических и петрологических систем» . Вклад в минералогию и петрологию . 40 (3): 259–274. дои : 10.1007/bf00373790 . ISSN 0010-7999 . S2CID 98752462 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]