Si bien hay muchas fuentes independientes que le dan una estimación aproximada de la edad de la Tierra, la datación radiométrica es el método más preciso para asignarle un número. El principio básico es que los elementos radiactivos se descomponen en otros elementos. Y lo hacen de manera muy confiable a un ritmo constante. Por ejemplo, la vida media del uranio-238 es de 4.51 mil millones de años.
¿Cómo calculamos eso? Por supuesto, no había nadie alrededor para observarlo durante tanto tiempo. En cambio, notamos un patrón en las observaciones que hicimos hoy. Si deja que el uranio se descomponga, todos los años se descompone en el mismo porcentaje (digamos x%, para un valor minúsculo, pero significativamente medible de x). Esta tasa es constante para el uranio extraído y purificado de todas las fuentes. La naturaleza de todos los elementos radiactivos son los mismos a este respecto. Si conoce la tasa de descomposición anual, puede encontrar el tiempo que lleva convertirse en la mitad del original. También hemos medido que algunas vidas medias son solo minutos en lugar de miles de millones de años.
Si conocemos la abundancia inicial de algún material y la abundancia actual, podemos calcular el tiempo transcurrido en el medio. Ahora esta es la parte difícil. ¿Cómo sabemos la composición de algo en el pasado? Hacemos una hipótesis de que hubo un momento en que el material se solidificó a partir de un estado fundido. (¿Por qué es aceptable la hipótesis? Llegaremos a esto más adelante).
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Ahora necesita saber un poco de química de estado sólido, que se ocupa de la disposición atómica de los sólidos cristalinos. Así es como se ve un cristal de cuarzo desde el exterior:
Las superficies planas no fueron diseñadas artificialmente. Puede encontrar estas muestras en el campo. La razón por la que tienen estas formas regulares es porque hay una disposición periódica de átomos dentro de ella, en este caso, es una disposición repetida de células unitarias rombo-hedrales, que se ve así:
Si derrite el cuarzo y deja que se solidifique muy lentamente, crecerá el mismo tipo de cristal. La razón por la que esto sucede es porque los átomos tienen ciertos tamaños y direcciones, y prefieren ciertos ángulos de enlace. Al solidificarse, intentan adquirir el menor estado de energía, lo que resulta en formaciones periódicas.
También debido al mismo proceso de cristalización, el material tiene una relación de composición muy precisa y constante. En el caso del cuarzo, es 1: 2 en número de átomos de silicio a oxígeno. Si comenzaste con otras impurezas o exceso de silicio en el estado fundido inicial, se separarían en otros cristales y la parte que está hecha de cuarzo permanece en su mayoría de composición pura (Nuevamente, esto sucede debido a razones termodinámicas y el proceso es muy bien entendido a través de la experimentación de hoy) (*). Cuanto más lentamente disminuya la temperatura, más grandes serán las fases cristalinas individuales. Los minerales que observamos en la naturaleza tienen los patrones que esperaríamos si se formaran a través de este proceso.
Ahora hay algunos cristales que contienen elementos radiactivos. Sabemos que comienzan con una composición precisa en el momento de la formación. En ese momento, solo las propiedades químicas de los elementos determinan la forma y el tamaño del cristal, que se retienen. A medida que el elemento decae con el tiempo en estado sólido, los subproductos no se separan. Permanecen encerrados dentro de la red como defectos. Hoy podemos medir la concentración del elemento original, así como los subproductos primarios / secundarios, etc. y calcular el período de tiempo.
Como es fundamental para la naturaleza de la ciencia histórica en oposición a la ciencia experimental, hay extrapolaciones al pasado basadas en experimentos de hoy. No podemos repetir el pasado. Pero entonces, ¿por qué estamos seguros de la hipótesis que hacemos, por ejemplo. la tasa de desintegración radiactiva que permanece constante durante miles de millones de años, etc. La confianza proviene de la sorprendente consistencia entre mediciones completamente independientes y también el poder predictivo de la teoría.
Si encuentra dos minerales uno al lado del otro, y fecha uno de ellos usando la tasa de descomposición de uranio-plomo, y el otro usando samario-neodimio, resulta que dan la misma respuesta (dentro de los límites de precisión de medición), diga 913.5 + – 2.2mya y 912.8 + – 1.7 mya. (mya significa hace millones de años), lo que le da mucha confianza de que no es solo una coincidencia y que los minerales cristalizaron al mismo tiempo juntos (la única forma en que esto podría engañarnos es si las tasas de descomposición cambian armoniosamente manteniendo las tasas relativas de todos los elementos radiactivos iguales).
A veces, hay pruebas de la edad de algo más que radiactivo. Tal vez lo sepamos por patrones geológicos, líneas de falla, la tasa de desplazamiento, etc. Luego, utilizando la teoría de la datación radiométrica, podemos predecir la concentración de subproductos radiactivos en los minerales en esa región, y las mediciones coinciden de manera muy confiable con la predicción. Por eso es un método científico aceptado.
(*) En algunos cristales, la composición de la proporción no es exactamente constante. Algunos tipos de iones pueden ser reemplazados continuamente por un ion muy similar. Sin embargo, existen relaciones de restricción que nos permiten inferir los datos faltantes de las observaciones de hoy. Para la datación con uranio y plomo, el sustrato inicial generalmente no es un cristal puro, sino cristales de circonio con algunos de los iones de circonio reemplazados por iones de uranio. Dado que estos dos cationes son químicamente muy similares, pueden intercambiarse en la red en cualquier proporción. Pero la cantidad total de este tipo de iones es fija. El plomo es químicamente muy diferente a ambos elementos, lo que significa que el proceso de cristalización rechazará todas las impurezas del plomo durante la formación. Después de miles de millones de años, podemos encontrar la cantidad de uranio y plomo presente en la muestra para determinar la edad.