PDF《核时钟 ——放射性同位素地质年龄测定》

1946 年A.霍姆斯 (Arthur Holmes)和F.G.霍特曼斯 (Houtermans) 分别在美国和德国做出了第二个重要成就.他们在战前都看过尼尔的报 告,并且都认识到尼尔用质谱仪分析铅,使合理地计算地球年龄第一次成 为可能.这两位科学家运用他们当时能得到的少量数据,分别独立地计算 出地球的年龄约为 20―30 亿年(见A.霍姆斯地质年代表).非常有意义 的是,在经过数以千计的分析之后的今天,我们这个行星的年龄被确定为

45 亿年,与他们早期的计算相差不远. 以后,测定矿物年龄的各种方法得到了迅速发展,到1955 年,测定非 常古老的物质年龄所必需的许多基础理论研究也完成了.表1列出了测定 物质年龄的基本技术,在本书后面将对它们加以阐述.这些新方法对早期 粗略的计算提供了大量证据,也带来了一些惊人的成果. 在介绍这些发现之前,让我们先研究一下理论基础.

1 ①用黑体字印的名词,在词汇表中有解释. ① 关于天然放射性衰变,见附录. ② 曼哈顿计划是第二次世界大战期间美国陆军部研制第一颗原子弹的计划. A .霍姆斯地质年代表 地质时代 距今时间 延续时间 (百万年前) (百万年) 更新世 约1约1上新世

10 11 中新世

14 25 渐新世

15 40 始新世

20 60 新生代古新世

10 70 ±

2 白垩纪

65 135 ±

5 侏罗纪

45 80 ±

5 三叠纪

45 中生代225 ±

5 二叠纪

45 270 ±

5 石炭纪

80 350 ±

10 泥盆纪

50 400 ±

10 志留纪

40 440 ±

10 奥陶纪

60 500 ±

15 寒武纪

100 古生代600 ±

20 震旦纪 … 元古代…表1基本测量方法方法物质所测定的时间 适用时间范围(年) 碳-14 法 木料、泥炭、木炭 植物死亡时刻

103 ―

5 *

104 骨头、贝壳类 动物死亡前不久

2 *

103 ― 3.5 *

104 云母,某些全岩样品 岩石最后冷却至 约300 ℃的时间 ≥

105 钾-氩法 角闪石、透长石 岩石最后冷却至 约500 ℃的时间 ≥

107 云母 岩石最后冷却至 约300 ℃时间 ≥

5 *

106 钾长石 岩石最后冷却至 约500 ℃的时间 ≥

5 *

107 铷-锶法 全岩样品 岩石形成封闭单 元的时间≥108 铀-铅法 锆石 晶体形成时间 ≥

2 *

108 铀裂变径迹法 多种物质 岩石最后冷却时间

100 ―

109 (视物质而定)

二、同位素地质年龄测定的理论 我们可以把原子核想像为由很强的短程力把中子和质子束缚在一起的 一种滴状物.原子核中基本粒子的排列不是固定的或刚性的,而是大致在 这种力的作用范围内自由运动着.这种运动可能相当剧烈,但对于在自然 界中发现的大多数核素来说,核力足以束缚住每个粒子,因此这些原子核 能保持不变,称之为稳定性原子核.如果某种同位素的一个原子核是稳定 的,则这一同位素的所有其他原子核也都是稳定的,因为对给定核素的一 个原子是对的事,则对同一核素的其他原子也都是对的. 然而某些核素是不稳定的,包括人造的和天然的.它们的核子强烈骚 动,以致核力不能永远把它们聚集在一起,各种小片和小块会从原子核飞 出去.但是,如果我们试图预言一个具体的不稳定原子核什么时候发生这 种变化,我们是不会成功的,因为任一具体衰变(或变化)事件发生的时 间完全是偶然的.只有当大量同类的不稳定原子核在一起时,我们才可以 肯定地说,在一限定的时间内这些原子中有多大的比例将发生衰变.并且 已经证明,这个比例不受任何外界条件的影响. 原子核自发衰变的特性叫放射性.放射性核以恒定的速率发生衰变, 不受温度、压力、化学状态及物理状态的影响.即不管原子所处的外界环 境如何,这一过程一直进行着.换句话说,核内的活动不受围绕原子核旋 转的外层电子发生的遭遇的影响(只有在非常特殊的情况下,外界的干扰 才能影响核的放射性,既使这时,影响也极为轻微.在所有实际应用中, 放射性衰变速率都被视为是恒定的). 大部分放射性核素的衰变速率都很快(大多数在几天或几年之内就失 去它们的放射性);