元素时钟

信息来源:浙江省第九地质大队 浙江省核工业二六二大队　　　发布时间:2008-01-05　　　浏览次数：8641

    英国地质学家史密斯在19世纪提出，不但每个地层中含有特定的生物化石，某种化石在地层中的位置也是固定的，就像货物放在货架橱窗里一样。以一种或几种生物化石为标志，就能对地层进行划分，它将们整理得井然有序。不同地方含有同样化石的地层，应当属于同一年代。“生物地层学”由此正式登场，通过研究化石，可以推理远古的地质和环境，当然还有生物本身的状况。但这也将地球历史研究局限在生命诞生之后，而且只能排出地质年代的时间先后，而不能确定具体时间。
　　放射性的发现不仅为物理学带来革命，也为地质史研究开辟了新路。1905年英国物理学家卢瑟福首次明确提出，放射性可以作为直接测定地质时间的工具。1907年，美国耶鲁大学的放射化学家波特伍德发表了他根据样本中铀－铅元素比率对云母矿年龄的测量。他的结果比较粗糙，但足以显示放射性测年是可行的，而且令人吃惊的是，这时候人们还不知道同位素，也不晓得放射性元素衰变的速率呢。
　　原子核里的质子数目，决定了这个原子核属于哪种元素。有时候，同一种元素的不同原子核里，有着不同数目的中子，由此形成的不同原子称为这种元素的同位素。比如普通氢原子核里只有1个质子，如果再含1个中子，就是氢的同位素氘；含2个中子就是另一种同位素氚。氘、氚结合的核聚变反应，即是氢弹的原理。有一些同位素是不稳定的，它的原子核会自发地失去粒子，变成另一种元素的稳定同位素，此过程称为衰变。每种放射性同位素衰变的速率是固定的，每隔一定的时间就衰变掉一半，这个时间称为该同位素的半衰期，它不受外界因素影响。
　　大多数放射性同位素衰变得很快，半衰期只有几年、几天甚至更短。它们显然不能用来测量古老岩石的年龄——如果你用化学实验室的天平去给大象过磅，出了问题的话肯定不是天平本身的错。但也有一些同位素衰变得非常慢，可以当作“地质时钟”来用。比如铀235变成铅207的半衰期是7.04亿年，铀238变成铅206是45亿年，钾40变成氩40是125亿年，铷87到锶87是488亿年。如果要更夸张的，钐147到钕143的半衰期是1060亿年！它们适合测量非常古老的岩石。而半衰期为5730年的碳14，则适用于几万年内的样本，研究人类登场、文明诞生的世代。

   如果一块岩石里含某种放射性同位素和它的衰变产物，测量一下两者的含量比例，就可以计算出岩石的年龄。这个方法说起来容易，数学公式也简单，但实际操作还是很麻烦的。其精确程度取决于多种因素，缺一不可。比如，有关同位素的衰变速度必须已经精确测定，如果半衰期有误差，测年结果自然就含糊。岩石样本里的同位素含量也必须精确测定，鉴于这些同位素通常含量非常少，对测量技术的要求也非常高。另外，一些外界因素可能导致同位素从岩石里流失，或使岩石遭受“污染”，如果不考虑到这一点，就会得出虚假的年龄。为此必须对样本进行严格筛选，可不是路边拣块石头都能用的。

　　由于这些缘故，不同实验室和不同技术得出的测年结果，经常不完全吻合。侏罗纪的年龄变幻无常，就是一个例证。在1987年，人们根据钾-氩同位素方法对海绿石的测量，认为侏罗纪结束于1.31亿年前。但后来发现，氩会从海绿石里散失，使石头“看起来更年轻”。新方法改而测量玄武岩里的钾-氩含量，认为侏罗纪结束于1.455亿年以前。由于方法和技术不断改进，现在有一种说法是，一个测年结果如果提出超过5年，就已经过时、该更新了。科学家们正在建设国际的实验室网络，将同位素测年方法进行标准化，得到更精确、一致的结果。

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