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            科學家是如何知道化石年代和地球年齡?得益于一項革命性發明

            時間:2022-05-09 09:58:22    來源:科普中國網    

            在采用物理化學方法客觀鑒定古生物的年代之前,地質和考古學家們主要依靠經驗和旁證來確定年代久遠古物的年齡,存在著較大誤差。

            1940年,美國科學家馬丁·卡門和同事山姆·魯賓發現了碳-14;1947年,芝加哥大學的威拉德·利比因發明了碳-14年代測定法而獲得諾貝爾化學獎。從此,考古學、地質學和水文學中令人頭疼的年代確定問題,得到了革命性的突破。

            碳-14是如何測定目標物的存在年代呢?碳(元素符號C)是元素周期表里排列在第6號的元素,因為碳原子核中有6個質子。但碳有3種常見的同位素,即碳-12、碳-13和碳-14(簡稱C-12、C-13、C-14),它們原子核里的質子數相同,但中子數分別為6、7、8。

            在這三種碳的同位素中,C-12和碳C-13是穩定的同位素,也就是過多少年它都還在那里;而C-14則為放射性元素,就是不穩定存在,會衰變成別的物質,半衰期為5730年。也就是過了5730年后,C-14就會有一半衰變成了氮-14。

            這樣就為計算某種物質存在了多少年提供了一個方法,只要測定這個物質里面含有的C-14還剩多少,就大致知道了這個物質存在了多少年。

            這得有一個前提,就是C-14的量是既定的,否則就是神仙也無法知道過了多少年還應該剩下多少,或者說知道了含量也無法算出存在了多少年。而恰好,碳的天然同位素在地球上存在通常是一個穩定值,即約有99%的C-12,1%的C-13,而C-14則只有萬億分之一。

            就是這萬億分之一的C-14,與C-12和C-13之間的比例關系,成為科學家們計算某些物質年齡的重要依據。比如植物或動物,在活著的時候要吸收碳元素,如人通過呼吸和食物攝入得到碳元素,這些碳元素在身體里積聚起來,比例基本固定。但生物一旦死亡,這些元素就不再攝入吸收,因此C-12、C-13在機體里就固定下來,而C-14則開始衰變減少。

            科學家們從發掘或發現的古生物遺體或骨骼上,取下一些樣本,通過儀器檢測計算里面的碳含量,就得到了C-14與C-12、C-13的比例關系,從而得出生物遺體的存在年齡。比如里面的C-14只有本來應該有的一半量了,這個古生物遺體的年齡就有5730年了,以此類推。

            不過C-14年代測定法有一定誤差,這是因為C-14的半衰期本身也有±40年誤差,且每個歷史時期或特殊環境變化,如火山爆發會導致C-14含量的波動,因此,在采用C-14年代測定法測定時,還同時采用其他參照物,如通過對樹木年輪、鐘乳石年輪中的C-14檢測得到的數值作參考,就會更精準。

            據外媒報道,一個國際科學團隊進行了對碳-14定年進行了重大校準,這項為期7年的研究使用了世界各地采集的1.5萬份樣本,繪制了全新的、更精確的校準曲線,從而能夠更加精確測定55000年前物體的年代。

            因此,C-14測定法問世后,比過去那些完全依靠經驗,如文物市場完全靠幾個老專家憑經驗估計要強多了,這是客觀性標準,避免了許多主觀臆測的錯誤。不過,由于C-14在物體中本來含量就極少,年代越久遠就越稀少了,因此相對準確的測定年代一般在60000年以內,時間再久遠誤差就更大了。

            那么化石、巖石年齡和地球年齡是怎么得來的呢?化石和巖石的年齡動輒數億年甚至幾十億年,地球的年齡有46億年,這又是如何得來的呢?

            其實,雖然C-14無法標定一個久遠年代的化石或巖石年代,但給了人們方法論的啟發,就是既然C-14放射性同位素可以測定年代,而放射性同位素還有很多,有的半衰期很長,為啥不能用更長時間半衰期的放射性同位素來標定更久遠的物質年代呢?

            事實上,正是采用更長半衰期的放射性元素來測定久遠物質年齡的。如目前地質學家們測定巖石年齡常用的同位素衰變體系,除了C-14法,還有鈾-釷-鉛法、釤—釹法、銣—鍶法、鉀—氬法等等。

            這些過程說起來比較專業和復雜,就不展開說了(見上圖:鈾-釷-鉛法簡介)。

            其實我們只要了解一下這些元素的半衰期,以及其衰變后最終成為穩定元素的過程就大致知道了。

            比如鈾(化學元素符號U)的天然同位素有三種,即U-234、U-235、U-238,它們的原子核都有92個質子,中子數卻不同,分別為144、145、146個。它們的自然豐度分別是:U-238為99.275%,U-235為0.72%,U-234為0.005%。

            而鈾的三種天然同位素的半衰期:U-238為45.1億年,U-235為7億年,U-234為24.7萬年。這樣根據各種不同樣品里面含有的鈾元素含量,測算同位素之間的比例,就能知道這個物體從誕生到現在有多少壽命了。

            其他放射性元素測定法大致都是這樣計算出來的。

            在沒有放射性元素測定法之前,人們對地球的歷史基本上都是采用經驗估計,或者胡說八道。比如在古希臘的亞里士多德認為,時間沒有起點和終點,因此地球也是無限古老的;而中世紀時期,許多基督教神學家通過研究圣經,估算出地球年齡為5471年到7519年不等,甚至還有一位教徒精確的計算出了地球誕生日在公元前4004年10月22日。

            因為那時一直以為地球就是宇宙中心,因此認為地球的年齡就是宇宙年齡。

            其實這都是扯淡,一直到達爾文經過考察提出了物種進化學說,人們對世界的認知進入了科學體系,發現許多化石根本不能用千年來解釋,地球遠遠沒有想象的那么年輕。但地球到底有多大年齡呢?一直沒有一個概念。

            一直到C-14發現,威拉德·利比的C-14測定法問世后,放射性同位素測定古老物體年齡的時代開啟了,人類對宇宙和地球的認識才發生了翻天覆地的變化。通過對地球各種地質年代的考察和測定,人們知道了地球年齡至少在40億年以上。

            加州理工學院的地球化學家克萊爾·帕特森,曾經參加開發原子彈的曼哈頓計劃,不過其更有名的是對宇宙年齡的計算。上世紀五十年代,他通過改進鈾鉛測年法,發明了鉛鉛測年法,測量了取自代亞布羅峽谷隕石中鉛的同位素含量,得到地球年齡為45.5±0.7億歲,這個精確估值至今無人能及。

            測量隕石能夠得出地球年齡,是因為隕石基本都是來自太陽系的小行星,而這些小行星是太陽系生成時期的產物,是與地球同齡的天體。不過,克萊爾的計算誤差有±0.7億歲,因此科學界普遍認為,地球年齡可能在46億歲。

            除了對地球年齡的計算,科學家們還通過放射性同位素測定法對許多地質狀態、古生物化石等,比如恐龍化石,寒武紀生命大爆發時的化石、最早的微生物化石都有過相當精確的測算,讓人類對自己家園的歷史越來越明白。對此你怎么看?歡迎討論,感謝閱讀。

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            標簽: 地球年齡 放射性同位素 放射性元素

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