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举个栗子:科学家是怎么测定年代的?

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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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