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测寿命(科学家是如何知道化石年代和地球年龄?革命性发明~碳14测年法)

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1、科学家是如何知道化石年代和地球年龄?革命性发明~碳14测年法

  在采用物理化学方法客观鉴定古生物的年代之前,地质和考古学家们主要依靠经验和旁证来确定年代久远古物的年龄,存在着较大误差。

  

  1940年,美国科学家马丁·卡门和同事山姆·鲁宾发现了碳-14;1947年,芝加哥大学的威拉德·利比因发明了碳-14年代测定法而获得诺贝尔化学奖。从此,考古学、地质学和水文学中令人头疼的年代确定问题,得到了革命性的突破。

  碳(元素符号C)是元素周期表里排列在第6号的元素,因为碳原子核中有6个质子。但碳有3种常见的同位素,即碳-12、碳-13和碳-14(简称C-12、C-13、C-14),它们原子核里的质子数相同,但中子数分别为6、7、8。

  在这三种碳的同位素中,C-12和碳C-13是稳定的同位素,也就是过多少年它都还在那里;而C-14则为放射性元素,就是不稳定存在,会衰变成别的物质,半衰期为5730年。也就是过了5730年后,C-14就会有一半衰变成了氮-14。

  

  这样就为计算某种物质存在了多少年提供了一个方法,只要测定这个物质里面含有的C-14还剩多少,就大致知道了这个物质存在了多少年。

  这得有一个前提,就是C-14的量是既定的,否则就是神仙也无法知道过了多少年还应该剩下多少,或者说知道了含量也无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个稳定值,即约有99%的C-12,1%的C-13,而C-14则只有万亿分之一。

  就是这万亿分之一的C-14,与C-12和C-13之间的比例关系,成为科学家们计算某些物质年龄的重要依据。比如植物或动物,在活着的时候要吸收碳元素,如人通过呼吸和食物摄入得到碳元素,这些碳元素在身体里积聚起来,比例基本固定。但生物一旦死亡,这些元素就不再摄入吸收,因此C-12、C-13在机体里就固定下来,而C-14则开始衰变减少。

  

  科学家们从发掘或发现的古生物遗体或骨骼上,取下一些样本,通过仪器检测计算里面的碳含量,就得到了C-14与C-12、C-13的比例关系,从而得出生物遗体的存在年龄。比如里面的C-14只有本来应该有的一半量了,这个古生物遗体的年龄就有5730年了,以此类推。

  不过C-14年代测定法有一定误差,这是因为C-14的半衰期本身也有±40年误差,且每个历史时期或特殊环境变化,如火山爆发会导致C-14含量的波动,因此,在采用C-14年代测定法测定时,还同时采用其他参照物,如通过对树木年轮、钟乳石年轮中的C-14检测得到的数值作参考,就会更精准。

  据外媒报道,一个国际科学团队进行了对碳-14定年进行了重大校准,这项为期7年的研究使用了世界各地采集的1.5万份样本,绘制了全新的、更精确的校准曲线,从而能够更加精确测定55000年前物体的年代。

  

  因此,C-14测定法问世后,比过去那些完全依靠经验,如文物市场完全靠几个老专家凭经验估计要强多了,这是客观性标准,避免了许多主观臆测的错误。不过,由于C-14在物体中本来含量就极少,年代越久远就越稀少了,因此相对准确的测定年代一般在60000年以内,时间再久远误差就更大了。

  化石和岩石的年龄动辄数亿年甚至几十亿年,地球的年龄有46亿年,这又是如何得来的呢?

  其实,虽然C-14无法标定一个久远年代的化石或岩石年代,但给了人们方法论的启发,就是既然C-14放射性同位素可以测定年代,而放射性同位素还有很多,有的半衰期很长,为啥不能用更长时间半衰期的放射性同位素来标定更久远的物质年代呢?

  

  事实上,正是采用更长半衰期的放射性元素来测定久远物质年龄的。如目前地质学家们测定岩石年龄常用的同位素衰变体系,除了C-14法,还有铀-钍-铅法、钐—钕法、铷—锶法、钾—氩法等等。

  这些过程说起来比较专业和复杂,就不展开说了(见上图:铀-钍-铅法简介)。

  其实我们只要了解一下这些元素的半衰期,以及其衰变后最终成为稳定元素的过程就大致知道了。

  比如铀(化学元素符号U)的天然同位素有三种,即U-234、U-235、U-238,它们的原子核都有92个质子,中子数却不同,分别为144、145、146个。它们的自然丰度分别是:U-238为99.275%,U-235为0.72%,U-234为0.005%。

  

  而铀的三种天然同位素的半衰期:U-238为45.1亿年,U-235为7亿年,U-234为24.7万年。这样根据各种不同样品里面含有的铀元素含量,测算同位素之间的比例,就能知道这个物体从诞生到现在有多少寿命了。

  其他放射性元素测定法大致都是这样计算出来的。

  在没有放射性元素测定法之前,人们对地球的历史基本上都是采用经验估计,或者胡说八道。比如在古希腊的亚里士多德认为,时间没有起点和终点,因此地球也是无限古老的;而中世纪时期,许多基督教神学家通过研究圣经,估算出地球年龄为5471年到7519年不等,甚至还有一位教徒精确的计算出了地球诞生日在公元前4004年10月22日。

  因为那时一直以为地球就是宇宙中心,因此认为地球的年龄就是宇宙年龄。

  其实这都是扯淡,一直到达尔文经过考察提出了物种进化学说,人们对世界的认知进入了科学体系,发现许多化石根本不能用千年来解释,地球远远没有想象的那么年轻。但地球到底有多大年龄呢?一直没有一个概念。

  

  一直到C-14发现,威拉德·利比的C-14测定法问世后,放射性同位素测定古老物体年龄的时代开启了,人类对宇宙和地球的认识才发生了翻天覆地的变化。通过对地球各种地质年代的考察和测定,人们知道了地球年龄至少在40亿年以上。

  加州理工学院的地球化学家克莱尔·帕特森,曾经参加开发原子弹的曼哈顿计划,不过其更有名的是对宇宙年龄的计算。上世纪五十年代,他通过改进铀铅测年法,发明了铅铅测年法,测量了取自代亚布罗峡谷陨石中铅的同位素含量,得到地球年龄为45.5±0.7亿岁,这个精确估值至今无人能及。

  测量陨石能够得出地球年龄,是因为陨石基本都是来自太阳系的小行星,而这些小行星是太阳系生成时期的产物,是与地球同龄的天体。不过,克莱尔的计算误差有±0.7亿岁,因此科学界普遍认为,地球年龄可能在46亿岁。

  

  除了对地球年龄的计算,科学家们还通过放射性同位素测定法对许多地质状态、古生物化石等,比如恐龙化石,寒武纪生命大爆发时的化石、最早的微生物化石都有过相当精确的测算,让人类对自己家园的历史越来越明白。对此你怎么看?欢迎讨论,感谢阅读。

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