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举个栗子:科学家是怎么测定年代的?

日报 举个栗子 2年前 (2017-12-31) 308次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:科学家是怎么测定年代的?

探寻时光的痕迹——测年法

科学家说,地球的年龄有 45.4 亿年了,奇怪,他们是怎么知道的?新闻上经常报道,发现了距今多少多少年的某具古尸或者某件古物,报道员那家常便饭似的口气,就好像楼兰少女玩完的时候他们也恰好在现场。

会不会……古尸或者古物上都有一个钟,能明确告诉我们距今多少年?这似乎有点异想天开!

可是……且慢!你敢说自然界就没有天然的钟?

科学家说,有!且不止一种!

这都是些什么钟呀?可以挂墙上吗?

【水滴里见太阳,原子里看过去】

地球上所有的一切都是由一百多种不同类型原子构成的,比如碳原子,铁原子等。而所有同类型原子的统称,就叫元素。比如说碳元素,就概指所有的碳原子。人还分黄种人黑种人呢。所以元素下面也有分类,如碳元素下就包括三种不同的碳原子,分别是碳 12,碳 13 和碳 14。在地球上所有的碳中,碳 12 约占 99%,碳 13 约占 1%,而碳 14 只占到百万分之一左右。

别看碳 14 的量很微小,却作用极大,声名远播。因为——它就是我们要找的钟!

古人用“沙漏”来计时,若瓶子中的沙全部漏完就是一天,那,瓶子中的沙漏掉一半,当然就是半天啦。碳 14 也跟沙漏一样,每隔“一段时间”它就会“消失”一半。而这个“一段时间”,就是 5730 年,科学上通常把 5730 年称为碳 14 的半衰期,把那个“消失”的过程称为衰变。

不对!假如每隔 5730 年就有一半发生衰变,那地球上最终会没有碳 14!真是厉害,你的怀疑是对的。但事实是这样的:自然界的碳 14 虽会源源不断地衰变,但它也会源源不断地产生——空气中氮原子在宇宙射线的冲击下,会变成碳 14。

【在死亡那一刻上弦】

好啦,现在我们有一个钟了,怎么运用呢?这是个问题。

所有的植物都要吸收二氧化碳,而二氧化碳里面的那个“碳”,就可能是碳 14,也就是说,植物的生长过程中会源源不断地吸收碳 14,但是注意,植物体内的那些碳 14 同时也在发生衰变。一边吸收,一边衰变,于是,植物体内的碳 14 最终会达到收支平衡。

假如某棵大树某个时候死了,那么这意味着其对碳 14 的吸收就会立即停止,只剩下衰变了——注意注意!发条已经拧紧,钟表开始嘀嗒嘀嗒运行啦!

现在问,这棵大树是何时死的?很简单,只要测量这棵大树体内碳 14 的含量便知。就像测量沙漏上方的瓶中还剩下多少沙,就知道已过去了多少时间一样。若大树体内碳 14 的比例含量,只有平常树木中碳 14 比例含量的一半,那么你就可以断定,这棵树大约死于 5730 年前,以此类推。

虽然人不直接从空气中吸收碳 14,但人是吃植物的,所以植物体内的碳 14 最终也会在人体内累积。

考古学家在测量楼兰女尸的死亡时间时,是通过对棺材里面的木材、毛布、羊皮、人骨等分别进行碳 14 测量后,对比得出距今 3800 年的。

【他山之石,可以攻玉】

有了碳 14 测年法在前,似乎地球的年龄测定便能如法炮制了。可事实上,没那么简单。

首先,你得找到一个半衰期比较长的“钟”,哪种钟合适呢?找来找去,人们发现“铀 238”这位仁兄可担此大任,因为它的半衰期长达 44.7 亿年。地球之“钟”算是找到了,可怎么去测呢?这又是个大问题,找地球诞生时植物的遗骸吗?笑话,地球诞生时,一片火海,任何植物都不会存在;就算存在,也不会保存至今。而关键的是,植物里可没有铀 238。那么,什么地方有呢?

岩石,对,就是岩石!可问题又来了,你如何知道哪块岩石最老?难道你要把地球上每一块岩石都测一遍?好吧,就算伟大的愚公移山精神,让你测完了所有岩石,并知道了地球上最老岩石的年龄,那又怎样呢?你能断定这块岩石跟地球的年纪一样老?几十亿年,沧海桑田,地球诞生时就存在的那些岩石,到现在,早就不是原来的样子了。

怎么办?20 世纪 40 年代末,芝加哥大学一位名叫克莱尔?彼得森的科学家对此也头疼万分,且持续了七年!不过,你懂的,皇天不负有心人,克莱尔?彼得森最后灵光一闪:为何不用那些天外来客——陨石呢?

是呀,他山之石,可以攻玉。很多漂浮在地球周边并最终掉下来的陨石,其实就是早期构成地球的下脚料,因此保留着原始的内部化学结构。最重要的是,他们一直在外太空,没有受到污染。

铀 238 衰变后会变成铅 206,所以,测定那些掉下来的陨石中,铀 238 与铅 206 的比例,就可以知道曾经有多少铀 238 发生衰变,从而就能基本测出地球的年龄了。

打个比方,一筐好好的红樱桃(铀 238),假设每隔十天,就会腐烂一半,而且腐烂得还很彻底,只剩下樱桃核(铅 206),肉全没了。

好,在一个密封的箱子里面有樱桃, 但不知樱桃在箱子里放了多久。现在我们打开箱子,发现有 2 颗完好的樱桃和 6 粒樱桃核。于是我们就知道,箱子里最开始其实有 2+6 即 8 颗樱桃。好吧,我们从头来一遍,过了 10 天,那 8 颗樱桃中有 4 颗腐烂,再过 10 天,剩下的那 4 颗,又有 2 颗也腐烂了,只剩下 2 颗没腐烂了。而这跟我们打开箱子时看到的是一样的情景。所以,从这里我们就可以计算出箱子里的樱桃大概已经存在了 20 天时间了。

【你的积蓄决定了你的身价】

如果说碳 14 和铀 238 是一种基于“消耗”原理的测年法,那么下面接着要说的则是一种基于“积蓄”原理的测年法。

人类的生活中从没有离开过辐射,这些辐射来自宇宙射线、地面、建筑物甚至是人体内部。需要说明的是,这些微量的自然辐射不会影响健康。

同样,陶瓷也在无时无刻接收着辐射,只是它们被辐射的时间要长得多,几百年,几千年甚至上万年。而且,因为陶瓷里面含有大量的绝缘晶体,所以,它们能把接收到的辐射能量保存起来,这意味着,陶瓷年代越久远,其对辐射能量的积蓄就越多,一般来说身价也就越高。

如何测定呢?那就是加热,科学家发现,只要把陶瓷加热到一定温度后,陶瓷里面积蓄的能量就会以光的形式释放出来,这就是热释光现象。需要说明的是,热释光不同于一般加热后的炽热发光,它是积累的辐射能量被释放的标志。

而热释光测年法的原理是这样的,在陶器刚开始烧制时,高温会把结晶体中原先贮存的热释光能量全都释放完,这相当于把热释光时钟重新拨至零点。自此以后,成型后的陶瓷从零开始积累接收到的辐射能量,年代愈久,积累的能量就越多,热释光量也就愈多。加热陶瓷,测量放出光的多少、强弱,就能判断出陶瓷的烧制年份。曹操墓中出土了大量的陶器,所以有专家建议,可以用热释光测年法对其测定,从而能较为准确地确定墓葬年代

考古学上,知道某个古物距今多少年,类似于天文学上知道某个星系距我们多远一样重要。可以说,没有科学测年法的进步,就没有考古学的蓬勃大发展。随着科技的不断进步,测年法的方式和类型越来越多,常见的还有电子自旋共振测年法,古地磁测年法等等。


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