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電子スピン共鳴年代測定法（ESR年代測定法）は、鉱物（炭酸塩、ケイ酸塩、硫酸塩など） 、無機生物学的物質（歯のエナメル質など）、無機考古学的物質（陶磁器など）、特定の食品など、放射性炭素年代測定がうまく機能しない物質の年代を測定するために使用される技術です。[ 1 ]電子スピン共鳴年代測定法は、1975年に日本の原子核物理学者池谷元二が秋芳洞の洞窟生成物の年代を測定した際に初めて科学界に導入されました。[2] ESR年代測定法は、以前に自然放射線にさらされた結晶構造内の不対電子の量を測定します。物質の年齢は、その形成時からの放射線量を測定することによって決定できます。[3]
アプリケーション
電子スピン共鳴年代測定は、放射線化学、生化学、地質学、考古学、人類学などの分野で使用されています。[4] ESR年代測定は、他の方法とは異なる材料に適用でき、さまざまな年代範囲をカバーできるため、放射性炭素年代測定や放射性年代測定の代わりに使用されています。 [1] ESR年代測定は、化石化した歯の年代測定に使用されています。[5]埋葬された人間の歯の年代測定は、人間の遺体の年代測定の基礎となっています。[2]特定の古代の陶器で見つかった焼けたフリントと石英の年代測定に研究が使用されています。 [6] ESR年代測定は、熱水噴出孔の年代測定に広く適用されており、[7] [8] [9]鉱物の採掘にも広く適用されています。 [10]より新しいESR年代測定の用途には、断層ガウジからの過去の地震の年代測定、過去の火山噴火、海岸線に沿った地殻変動活動、[11]付加体中の流体の流れ、冷水湧出などがあります。[12]
ESR年代測定は、新しく形成された物質や以前に加熱されたサンプルに適用できます[11]。ただし、加熱が閉鎖温度以下であるか、加熱時間が特性崩壊時間よりもはるかに短いことが条件です[12] [13] 。花崗岩中の石英の閉鎖温度は約30～90℃ [13]で、重晶石の場合はESR年代測定では 約190～340℃ [12]です。
デートのプロセス
電子スピン共鳴年代測定は、捕捉電荷年代測定とも呼ばれます。放射能により、負に帯電した電子が基底状態である価電子帯から伝導帯のより高いエネルギーレベルに移動します。しばらくすると、電子は最終的に価電子帯に残った正に帯電した正孔と再結合します。 [6] 捕捉された電子は常磁性中心を形成し、ESR分光法で検出できる特定の信号を生成します。[2]捕捉された電子の量は、ESR信号の大きさに対応します。このESR信号は、鉱物に捕捉された電子の数、放射性物質の量、および年代に正比例します。[2]
ESR年齢の計算
物質の電子スピン共鳴年齢は次の式から求められ ます。
ここで、D E は等価線量または古線量（グレイまたは Gy 単位）、つまり ESR クロックのゼロ点（t = 0）からサンプリング（t = T）までの経過時間中にサンプルが受けた放射線の量です。D(t) は線量率（通常は Gy/ka または microGy/a 単位）で、1 年間にサンプルが吸収する平均線量です。D(t) が時間に対して一定であると考えられる場合、式は次のように表すことができます。
[2]
このシナリオでは、Tはサンプルの年齢、つまりESR信号が最後にリセットされてからサンプルが自然放射能にさらされた時間です。これは、捕捉された電荷が解放されることで起こります。通常は溶解/再結晶、熱、光漂白、または機械的ストレスのいずれかによって起こります。[14]
蓄積線量の決定
蓄積線量は、添加線量法[3]と電子スピン共鳴 (ESR) 分光法[2]によって求められます。これは、サンプルを外部磁場の中に置き、特定の量のマイクロ波[2]を照射して、磁気中心のエネルギー レベル (スピン回転の変化) を周囲の磁場と同じか反対に変えた場合に行われます。[4]磁気特性の変化は特定のエネルギー レベルでのみ発生し、特定のマイクロ波周波数では、これらの変化 (共鳴) を引き起こす特定の磁気強度があります。[2]スペクトル内の ESR 線の位置は、分光法で使用されるマイクロ波周波数と磁場強度の比率 (g 値) に対応します。[2] ESR 強度がゼロに向かって外挿されると、蓄積線量を決定できます。[3]
年間線量率の決定
線量率は、サンプル内の放射性物質の濃度（内部線量率）とその周囲の環境（外部線量率）の合計から求められます。内部放射能と外部放射能の線量は異なるため、別々に計算する必要があります。[2]
放射能を計算する際に考慮する要素:
- ウラン、トリウム、カリウムの濃度[3]
- ウラン238とトリウム232のアルファ線、ベータ線、ガンマ線のエネルギー[4]
- 水分含有量、サンプルの形状、厚さ、密度に関連する補正係数
- 宇宙線量率 – 地理的位置と堆積層の厚さに依存する（海面で300 pGy/a）[2]
信頼性
捕捉された電子は、中間エネルギーレベル段階にあるときのみ、限られた時間枠しか持ちません。一定の時間範囲、または温度変動の後、捕捉された電子はエネルギー状態に戻り、正孔と再結合します。[2]電子と正孔の再結合は、平均寿命が測定対象のサンプルの年齢の10倍である場合にのみ無視できます。[2]新しい加熱イベントにより、以前のESR年代が消去される可能性があります[12] [13] [15]そのため、熱水噴出孔などの加熱が複数回発生する環境では、新しく形成された鉱物のみがESR年代測定で測定でき、古い鉱物は測定できない可能性があります。これは、同じ熱水噴出孔からのサンプルが異なるESR年代を示す可能性がある理由を説明しています。[9]鉱物形成の複数の段階がある環境では、通常、ESR年代測定ではバルク鉱物の平均年齢が得られますが、放射年代測定では親核の崩壊により若い段階の年齢に偏ります。[9] [12]
参照
参考文献
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