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2019光年奖

测年法:探寻时光的痕迹

时光总会留下痕迹,找到这些痕迹和规律,就能测定年代,这就是测年法。地球诞生多久了?古董的真假和年代?测年法都能解答。

未标题-2碳14测年法:问问古尸的年岁
  

  古人用“沙漏”来计时,如果瓶子中的沙全部漏完就是一天;而瓶子中的沙只漏掉一半时,当然就是半天。碳14测年法也跟沙漏一样,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年这么长的一段时间,称为碳14的半衰期,把那个“消失”的过程称为衰变。

  碳14测年法在考古方面始终发挥着巨大作用。考古学家曾经在新疆罗布泊地区发现了楼兰少女的古尸,在测算女尸的死亡时间时,他们就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。

  碳14测年法是美国人维拉德•弗兰克•利比发现的,他也因此发现获得了1960年的诺贝尔化学奖。不过,因为碳十四的半衰期比较短,碳14测年法的应用局限于5万到6万年。

未标题-2 铀铅测年法:测出地球的芳龄

  测定年代最久的恐怕要数铀铅测年法了,科学家用它来测定地球的年龄。铀铅测年法的原理跟碳十四测年法是一样的,都是根据放射性元素的半衰期进行测定。

  “铀238”的半衰期长达44.7亿年,用它来测定地球年龄再合适不过了。然而,要想找到最古老的岩石,这真是太难了,因为你不可能把地球上每一块岩石都测一遍,以确定最老的岩石。20世纪40年代末,这个难题让芝加哥大学一位名叫克莱尔•彼得森的科学家也头疼万分,且持续了7年之久!不过,功夫不负有心人,克莱尔•彼得森有一天突然灵光一闪:为何不用那些天外来客——陨石呢?

  他山之石,可以攻玉。很多飘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,它们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。

未标题-2 热释光测年法:敲定曹操墓的年代

  如果说碳14测年法和铀238测年法是一种基于“消耗”原理的测年法,那么热释光测年法则是一种基于“积蓄”原理的测年法。

  人类的生活从没有离开过辐射,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,陶瓷也无时无刻不在接收着辐射,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。因为陶瓷里面含有大量的绝缘晶体,这些绝缘晶体能把接收到的辐射能量部分保存起来。这意味着,陶瓷年代越久远,它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。

  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,年代越久,积累的能量就越多,热释光量也就越多。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。

未标题-2 光释光测年:打出沉积物的年龄信号

  光释光测年法是在热释光测年法的基础上发展而来的,所以原理非常相近:热释光测年法是通过加热的手段,而光释光测年法则是通过用外在的光照射矿物晶体,尤其是硅酸盐矿物晶体,从而激发晶体中先前贮存的辐射能,并以光的形式释放出来,这就是光释光。通过对光释光信号强度的测量,就可以获得样品埋藏期间所吸收的辐射剂量,继而求出样品年龄。

  光释光测年法这技术一出现就备受关注,它特别适合测定各类沉积物的年龄,如黄土地层和考古堆积地层。其测定范围比碳14还要大,从近百年到几十万年。如今,光释光测年法已广泛应用在第四纪沉积物的年龄测定上。

  另外,光释光测年法还可分为绿光释光法和红外释光法。绿光释光法,就是用绿光光束作为激发光源,主要用来测量石英的年龄;红外释光法,则是用红外线作为激发光源,主要用来测量钾长石的生成年代。

未标题-2 铅210测年法:计算沉积物的年龄

  地壳中的铀通过衰变产生惰性气体氡222,氡222扩散到大气中,并在大气中衰变成铅210,铅210随着降雨、降雪和尘埃散落到地面上、水里面,接着,铅210在地表开始以固定速率衰变,半衰期为22.3年。

  沉积物表面因为一直得到铅210的补充,所以,沉积物表面的铅210量保持不变,但是沉积物的下面,因为之前的铅210已经部分衰变,所以,铅210的数量变少,放射性强度随沉积物深度逐渐降低。

 地质学家根据这个原理,就可以用铅210测定沉积物的沉积速率,继而求出沉积物的年龄信息。 

未标题-2 古地磁测年法:借助磁性算年代

  地球有一个熔融的内核,如果其对流发生变化,就会导致地球磁场强度和方向呈现不规则的变化。在漫长的地球历史上,地球磁场的南极和北极就曾经颠倒过很多次。

  在自然界中,大多数物质都含有磁性矿物,如磁铁矿。这些物质在受热或者沉积时受到地球磁场的影响而获得微弱的磁性,显然,获得的磁性方向与当时的地球磁场方向是一致的。这些含有地球磁场信息的物质,在后期如果没有经历过高温的话,那么,无论地球的磁场如何变化,这些物质之前获得的磁性都不会改变。

  根据这个原理,通过对样本中磁性的测量和分析,再结合其他技术,就可以测量出样本的年代。

未标题-2更多测年法

  除了上面常见的6种,其实科学家还发明出许多不同的测年方法,每种方法都能科学地测定出一类特定对象的年龄。通过图片,我们再来见识3种测年法。

宇宙成因核素测年法。它是通过测定岩石中宇宙成因核素浓度,并利用核素生成量和由于剥蚀、放射性衰变而引起的流失量的函数,来计算相对应的岩石暴露年龄的测年法。

电子自旋共振测年法。它的测年范围介于几百年到几百万年,几乎覆盖了整个第四纪。在地质上可通过测量方解石(贝壳、珊瑚)、磷灰石(骨骼、牙齿)、硫酸盐和磷酸盐等样品来测定其年代。

氯-36测年法。从1952到1958之间的核试验导致海水受辐射产生大量本来很罕见的氯-36。这种放射性的氯逐渐扩散到土壤和地下水中,因此氯-36可以用来测量50年代以后的地质测年。

作者简介

寒木钓萌:科普作家,十年军旅,曾任少儿科普杂志编辑、某大型网站科普编辑,出版过“唐猴沙猪系列”(24本)、《有关八戒那些事——物理真的很神奇很有趣》等科普书。

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《妙想科学》栏目,奇思妙想,以趣味科学主题,集结天下万物。

  

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