科學(xué)家是如何知道化石年代和地球年齡？得益于一項(xiàng)革命性發(fā)明

在采用物理化學(xué)方法客觀鑒定古生物的年代之前，地質(zhì)和考古學(xué)家們主要依靠經(jīng)驗(yàn)和旁證來(lái)確定年代久遠(yuǎn)古物的年齡，存在著較大誤差。

1940年，美國(guó)科學(xué)家馬丁·卡門和同事山姆·魯賓發(fā)現(xiàn)了碳-14；1947年，芝加哥大學(xué)的威拉德·利比因發(fā)明了碳-14年代測(cè)定法而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。從此，考古學(xué)、地質(zhì)學(xué)和水文學(xué)中令人頭疼的年代確定問題，得到了革命性的突破。

碳-14是如何測(cè)定目標(biāo)物的存在年代呢？碳（元素符號(hào)C）是元素周期表里排列在第6號(hào)的元素，因?yàn)樘荚雍酥杏?個(gè)質(zhì)子。但碳有3種常見的同位素，即碳-12、碳-13和碳-14（簡(jiǎn)稱C-12、C-13、C-14），它們?cè)雍死锏馁|(zhì)子數(shù)相同，但中子數(shù)分別為6、7、8。

在這三種碳的同位素中，C-12和碳C-13是穩(wěn)定的同位素，也就是過(guò)多少年它都還在那里；而C-14則為放射性元素，就是不穩(wěn)定存在，會(huì)衰變成別的物質(zhì)，半衰期為5730年。也就是過(guò)了5730年后，C-14就會(huì)有一半衰變成了氮-14。

這樣就為計(jì)算某種物質(zhì)存在了多少年提供了一個(gè)方法，只要測(cè)定這個(gè)物質(zhì)里面含有的C-14還剩多少，就大致知道了這個(gè)物質(zhì)存在了多少年。

這得有一個(gè)前提，就是C-14的量是既定的，否則就是神仙也無(wú)法知道過(guò)了多少年還應(yīng)該剩下多少，或者說(shuō)知道了含量也無(wú)法算出存在了多少年。而恰好，碳的天然同位素在地球上存在通常是一個(gè)穩(wěn)定值，即約有99%的C-12，1%的C-13，而C-14則只有萬(wàn)億分之一。

就是這萬(wàn)億分之一的C-14，與C-12和C-13之間的比例關(guān)系，成為科學(xué)家們計(jì)算某些物質(zhì)年齡的重要依據(jù)。比如植物或動(dòng)物，在活著的時(shí)候要吸收碳元素，如人通過(guò)呼吸和食物攝入得到碳元素，這些碳元素在身體里積聚起來(lái)，比例基本固定。但生物一旦死亡，這些元素就不再攝入吸收，因此C-12、C-13在機(jī)體里就固定下來(lái)，而C-14則開始衰變減少。

科學(xué)家們從發(fā)掘或發(fā)現(xiàn)的古生物遺體或骨骼上，取下一些樣本，通過(guò)儀器檢測(cè)計(jì)算里面的碳含量，就得到了C-14與C-12、C-13的比例關(guān)系，從而得出生物遺體的存在年齡。比如里面的C-14只有本來(lái)應(yīng)該有的一半量了，這個(gè)古生物遺體的年齡就有5730年了，以此類推。

不過(guò)C-14年代測(cè)定法有一定誤差，這是因?yàn)镃-14的半衰期本身也有±40年誤差，且每個(gè)歷史時(shí)期或特殊環(huán)境變化，如火山爆發(fā)會(huì)導(dǎo)致C-14含量的波動(dòng)，因此，在采用C-14年代測(cè)定法測(cè)定時(shí)，還同時(shí)采用其他參照物，如通過(guò)對(duì)樹木年輪、鐘乳石年輪中的C-14檢測(cè)得到的數(shù)值作參考，就會(huì)更精準(zhǔn)。

據(jù)外媒報(bào)道，一個(gè)國(guó)際科學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了對(duì)碳-14定年進(jìn)行了重大校準(zhǔn)，這項(xiàng)為期7年的研究使用了世界各地采集的1.5萬(wàn)份樣本，繪制了全新的、更精確的校準(zhǔn)曲線，從而能夠更加精確測(cè)定55000年前物體的年代。

因此，C-14測(cè)定法問世后，比過(guò)去那些完全依靠經(jīng)驗(yàn)，如文物市場(chǎng)完全靠幾個(gè)老專家憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)要強(qiáng)多了，這是客觀性標(biāo)準(zhǔn)，避免了許多主觀臆測(cè)的錯(cuò)誤。不過(guò)，由于C-14在物體中本來(lái)含量就極少，年代越久遠(yuǎn)就越稀少了，因此相對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)定年代一般在60000年以內(nèi)，時(shí)間再久遠(yuǎn)誤差就更大了。

那么化石、巖石年齡和地球年齡是怎么得來(lái)的呢？化石和巖石的年齡動(dòng)輒數(shù)億年甚至幾十億年，地球的年齡有46億年，這又是如何得來(lái)的呢？

其實(shí)，雖然C-14無(wú)法標(biāo)定一個(gè)久遠(yuǎn)年代的化石或巖石年代，但給了人們方法論的啟發(fā)，就是既然C-14放射性同位素可以測(cè)定年代，而放射性同位素還有很多，有的半衰期很長(zhǎng)，為啥不能用更長(zhǎng)時(shí)間半衰期的放射性同位素來(lái)標(biāo)定更久遠(yuǎn)的物質(zhì)年代呢？

事實(shí)上，正是采用更長(zhǎng)半衰期的放射性元素來(lái)測(cè)定久遠(yuǎn)物質(zhì)年齡的。如目前地質(zhì)學(xué)家們測(cè)定巖石年齡常用的同位素衰變體系，除了C-14法，還有鈾-釷-鉛法、釤—釹法、銣—鍶法、鉀—?dú)宸ǖ鹊取?/p>

這些過(guò)程說(shuō)起來(lái)比較專業(yè)和復(fù)雜，就不展開說(shuō)了（見上圖：鈾-釷-鉛法簡(jiǎn)介）。

其實(shí)我們只要了解一下這些元素的半衰期，以及其衰變后最終成為穩(wěn)定元素的過(guò)程就大致知道了。

比如鈾（化學(xué)元素符號(hào)U）的天然同位素有三種，即U-234、U-235、U-238，它們的原子核都有92個(gè)質(zhì)子，中子數(shù)卻不同，分別為144、145、146個(gè)。它們的自然豐度分別是：U-238為99.275%，U-235為0.72%，U-234為0.005%。

而鈾的三種天然同位素的半衰期：U-238為45.1億年，U-235為7億年，U-234為24.7萬(wàn)年。這樣根據(jù)各種不同樣品里面含有的鈾元素含量，測(cè)算同位素之間的比例，就能知道這個(gè)物體從誕生到現(xiàn)在有多少壽命了。

其他放射性元素測(cè)定法大致都是這樣計(jì)算出來(lái)的。

在沒有放射性元素測(cè)定法之前，人們對(duì)地球的歷史基本上都是采用經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，或者胡說(shuō)八道。比如在古希臘的亞里士多德認(rèn)為，時(shí)間沒有起點(diǎn)和終點(diǎn)，因此地球也是無(wú)限古老的；而中世紀(jì)時(shí)期，許多基督教神學(xué)家通過(guò)研究圣經(jīng)，估算出地球年齡為5471年到7519年不等，甚至還有一位教徒精確的計(jì)算出了地球誕生日在公元前4004年10月22日。

因?yàn)槟菚r(shí)一直以為地球就是宇宙中心，因此認(rèn)為地球的年齡就是宇宙年齡。

其實(shí)這都是扯淡，一直到達(dá)爾文經(jīng)過(guò)考察提出了物種進(jìn)化學(xué)說(shuō)，人們對(duì)世界的認(rèn)知進(jìn)入了科學(xué)體系，發(fā)現(xiàn)許多化石根本不能用千年來(lái)解釋，地球遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有想象的那么年輕。但地球到底有多大年齡呢？一直沒有一個(gè)概念。

一直到C-14發(fā)現(xiàn)，威拉德·利比的C-14測(cè)定法問世后，放射性同位素測(cè)定古老物體年齡的時(shí)代開啟了，人類對(duì)宇宙和地球的認(rèn)識(shí)才發(fā)生了翻天覆地的變化。通過(guò)對(duì)地球各種地質(zhì)年代的考察和測(cè)定，人們知道了地球年齡至少在40億年以上。

加州理工學(xué)院的地球化學(xué)家克萊爾·帕特森，曾經(jīng)參加開發(fā)原子彈的曼哈頓計(jì)劃，不過(guò)其更有名的是對(duì)宇宙年齡的計(jì)算。上世紀(jì)五十年代，他通過(guò)改進(jìn)鈾鉛測(cè)年法，發(fā)明了鉛鉛測(cè)年法，測(cè)量了取自代亞布羅峽谷隕石中鉛的同位素含量，得到地球年齡為45.5±0.7億歲，這個(gè)精確估值至今無(wú)人能及。

測(cè)量隕石能夠得出地球年齡，是因?yàn)殡E石基本都是來(lái)自太陽(yáng)系的小行星，而這些小行星是太陽(yáng)系生成時(shí)期的產(chǎn)物，是與地球同齡的天體。不過(guò)，克萊爾的計(jì)算誤差有±0.7億歲，因此科學(xué)界普遍認(rèn)為，地球年齡可能在46億歲。

除了對(duì)地球年齡的計(jì)算，科學(xué)家們還通過(guò)放射性同位素測(cè)定法對(duì)許多地質(zhì)狀態(tài)、古生物化石等，比如恐龍化石，寒武紀(jì)生命大爆發(fā)時(shí)的化石、最早的微生物化石都有過(guò)相當(dāng)精確的測(cè)算，讓人類對(duì)自己家園的歷史越來(lái)越明白。對(duì)此你怎么看？歡迎討論，感謝閱讀。

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標(biāo)簽： 地球年齡 放射性同位素 放射性元素