応用問題516 年代測定

年代測定の計算

直感的理解
${}^{238}\text{U}$ は崩壊して最終的に ${}^{206}\text{Pb}$ になります。鉱物中のU/Pb比から、鉱物が生成されてからの時間がわかります。U が減り Pb が増えるので、Pb/U比が大きいほど古い鉱物です。

立式:${}^{238}\text{U}$ の現在の個数を $N$、初期の個数を $N_0$ とすると:

${}^{206}\text{Pb}$ の個数 $n = N_0 - N$ なので $N_0 = N + n$。

${}^{238}\text{U}$ と ${}^{206}\text{Pb}$ の比が $4:1$ のとき $N:n = 4:1$、つまり $N_0 = N + N/4 = 5N/4$。

半減期の式に代入:

$$N = N_0 \left(\frac{1}{2}\right)^{t/T}$$ $$\frac{N}{N_0} = \frac{N}{5N/4} = \frac{4}{5} = \left(\frac{1}{2}\right)^{t/T}$$

対数をとって $t$ を求める:

$$\log_{10}\frac{4}{5} = \frac{t}{T} \log_{10}\frac{1}{2}$$ $$\log_{10}4 - \log_{10}5 = -\frac{t}{T} \times 0.301$$ $$0.602 - 0.699 = -\frac{t}{T} \times 0.301$$ $$-0.097 = -\frac{t}{T} \times 0.301$$ $$\frac{t}{T} = \frac{0.097}{0.301} = 0.322$$

$T = 44.7$ 億年を代入すると

$$t = 0.322 \times 44.7 \fallingdotseq 14 \text{ 億年}$$
答え:
$$t \fallingdotseq 14 \text{ 億年}$$
補足:光子のエネルギーと波長の関係

光子のエネルギーは $E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$ です。波長が短い(振動数が大きい)ほどエネルギーが大きくなります。

Point

$N/N_0 = (1/2)^{t/T}$ を $t$ について解く。$t = T \cdot \log(N_0/N) / \log 2$。