一说起测年法,大家基本上都会想到碳-14测年法,这个测年法其实只用于年龄小于五万年的地质学和考古学定年研究。如果要测地球年龄,火山岩就没有办法了。
今天,我们就来好好地扫一下盲,盘点一下都有哪些常用的测年法,它们的原理是什么?都用在什么场景下。
同位素测年法说起同位素,其实是指质子数相同、中子数不同的同一种元素的不同原子。比如:碳-12,碳-14或者铀235、铀238等。
在这些同位素里,有一些特别稳定,碳-12就是这方面的杰出典范。有一些特别不稳定,它们的一生就围绕着一个目标:变得稳定。具体的方式就是:以固定不变的速度失去中子或质子,直到稳定为止。这个过程就被叫做衰变。
衰变的过程完全不受外界的影响,这样的特性就非常符合测算时间的需求。于是由此孕育出了多种同位素的测年法。
放射性衰变对应之地质年代的数学表达式是:D = D0 N(eλt ? 1)
其中,t表检体之年代,D是指检体中子核素的原子数量。D0是指最早成分中子核素的原子数量。N是指检体中母核素的原子数量。λ是指表母核素的衰变常数,等于母核素放射性半衰期的倒数乘以自然对数2。
不过并不是说我们知道了同位素的原理,就可以随便拿一个同位素来计时。同样是同位素,其实差别还是很大的,尤其是应用场景,这完全是取决于它们自身的半衰期。
通常情况下,测量时间跨度非常大的,动辄上亿年的要用得是铀铅测年法。
稍微短一点的,用到的是钾氩测年法,然后才是碳-14测年法。
铀铅测年法我们先来说说铀铅测年法,这个办法的原理其实就是铀的衰变。一般来说,1克的铀-238经过一年后,有1/7400000000克的铀会衰变为铅和氦。经过44.7亿年以后,1克的铀-238里会有1/2克发生衰变,铀-238衰变至铅-206的半衰期是44.7亿年。
具体要进行测量方法是选一块含铀的岩石,测出铀和铅的含量,就可以通过计算得出年龄。
这个办法比较适合距今100万~45亿年之间的被测物,精度在0.1%~1%范围内。
在1956年,科学家克莱尔·帕特森改进铀铅测年法,发明铅铅测年法,并通过测定陨石中铅的同位素的含量,他计算出地球年龄为45.5±0.7亿年。
钾氩测年法
如果测量火山岩的年代时,科学家比较常用的手段是:钾氩测年法。原理是钾-40衰变为氩-40。道理其实和铀铅测年法很像。
一般来说,火山喷发的时候,岩浆里是含有一定的钾-40的。因为氩的沸点特别低,在高温的状态下就会完全挥发掉。
图片来源:维基百科
也就是说,冷却之后的岩石中一开始是不含氩的,但随着钾-40的衰变为氩-40,这些氩-40其实是会被困在岩石中的,所以只要知道钾-40和氩-40在岩石中的比例就能算出火山岩的年代。在分析“几万岁”到“几十万岁之间的岩石时,钾氩测年法是非常可靠的手段。
碳-14测年法如果要测量5万年以下的有机物(不是指所有的都可以,一些含碳无机物也行), 通常采用的就是碳-14测年法。碳-14特别不稳定,它的主要是由于宇宙射线和撞击氮-14才合成出来的。所以在空气中碳-12和碳-14的比例其实是固定的,在地球上有99%的碳是碳-12,有大约1%的碳是碳-13,只有兆分之一(0.0000000001%)是碳-14。
植物光合作用会吸收碳,这其中就会含有碳-14和碳-12,一些动物会吃植物和呼吸作用也会有碳-14进入体内。它们死后,因为不会再有碳-14进入体内,而体内的碳-14会发生衰变,也就说,只要能检测出碳-14的剩余量,就可以知道它们死于什么时候。
不过碳-14测年法也有局限性,5万年前的标本基本上就没有碳-14了,所以这个办法最好是用在距今5万年以下的被测物。碳-14测年法其实被广泛地用在考古中,碳-14测年法的发现者威拉得·利比还获得了1960年诺贝尔化学奖。
热释光测年法
除了同位数的测年法,其实还有其他的测年方法。比如,考古的时候经常挖到一些陶器。这时候要用的方法叫做热释光测年法。这是因为矿石晶体受到放射性物质的辐射后会产生只有电子,辐射的时间越长,自由电子数就会越多,但是这些自由电子一般来说会被困在晶体里,逃不出来的。
如果我们把这些晶体加热到1500摄氏度,这些电子就会吸收到足够的能量,然后逃出来,并以发光的形式释放能量。越古老的陶器,积累的自由电子越多,加热后发出来的光也就明亮,只要测算释放地能量多少也就可以知道距今有多少年了。
进化分子钟
1962年,有科学家发现:氨基酸在单位时间内以同样的速度发生置换。我们都知道指导合成蛋白质地是基因。也就是说,基因的序列也应该在单位时间内以同样的速度发生置换。科学家把这称为“进化分子钟”。后来一些科学家直接对比基因的碱基排列顺序,证实了这一点。
有了进化分子钟,我们只要对比两个生物体之间的基因差异,就可以推算出它们相隔了多长时间。不过,这个方法也是被人诟病最多的,一些科学家发现分子序列证据与化石证据在人类起源时间上的差异。还有一些科学家发现物种变异的速度并不是固定不变的。所以,这个办法常常都是和其他方法一起使用地。
关于测年法,就说到这里。你还知道哪些测年法?
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