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年龄问题,这样解决

2015-09-10寒木钓萌

课堂内外(小学版) 2015年7期
关键词:热释光原子钟半衰期

寒木钓萌

地球的年龄有45.4亿年了。

没错,自然界的确存在着天然的钟——原子钟,虽然隐秘,却被脑袋灵光的人类发现了,并且用它们解决了关于地球年龄这个难题。现在的人类还用它们探知地球万物的过去,甚至宇宙的成长史呢!

原子钟,客观到冷酷

说到自然事物中那块隐秘的钟,我们需要先弄明白,地球万物都是由哪些物质构成的。

地球上的东西多种多样,数量无法计算,但是这所有的一切都是由一百多种不同类型的原子构成的,比如碳原子、铁原子、铀原子等。同种类型的原子的统称为元素,比如碳元素就概指所有的碳原子。人还分黄种人黑种人呢,元素也可以再细分,碳元素还能分出碳12、碳13和碳14。在地球上所有的碳中,碳12最多,大约占99%;碳13很少,大约占1%;而碳14,更是少,只占到百万分之一左右。

但是别看碳14的量很微小,作用却极大,且声名远播,而它就是我们要找的原子钟之一!

原子钟,好高大上的名字,可它们是怎么计时的呢?

先来看看沙漏吧!古人用“沙漏”计时,瓶子中的沙全部漏完是一天,漏掉一半当然就是半天。

有意思的是,物理学家经过几十年的研究,发现每个不稳定元素的原子,也会像沙漏一样不断转化成其他原子,同时自己的数量减少。就比如碳14,每隔“一段时间”就会“消失”一半,只不过这个“一段时间”有点长——5730年。科学上通常把5 730年称为碳1 4的半衰期,把那个“消失”的过程称为衰变。原子的衰变比率是恒定的,就是说无论周围环境怎样改变,这个衰变比率都不会改变,哪怕斗转星移、沧海桑田,或者你生气地将它们用油炸、用铁锤敲,原子钟依旧不紧不慢按定律精确而冷酷地前进。

有了客观到冷酷的原子钟,地球上的万物,以及地球的年龄,甚至宇宙的历史,人类就都可以弄个明明白白了。

上好弦,等你来算

大家都知道,大多数植物都要吸收二氧化碳,而里面的“碳”,当然既可能是碳12、碳13,也可能是碳14。我们可以换一句话说,植物的生长过程中会源源不断地吸收碳14。不过植物体内的碳14同时也在发生衰变,一边吸收,一边衰变,这样树身体里的碳14始终保持着收支平衡。

假如某棵大树死了,这就意味着它对碳14的吸收停止了,只剩下衰变——注意注意!发条已经拧紧,钟表开始“嘀嗒嘀嗒”运行啦!

过了许许多多年之后,大家想知道,这棵树是什么时候死的?很简单,只要测量它体内碳14的含量就知道了。如果大树体内碳14的含量只有平常树木中碳14含量的一半,那么你就可以断定,这棵树大约死于5730年前,依此类推。

虽然人不直接从空气中吸收碳14,但人会吃植物,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”这个数字的。

地球的年龄铀知道

首先,你得找到一个半衰期更长的“钟”,对于地球这个“长命百岁”的大家伙,碳14仅5000多年的半衰期明显不够用。哪种钟才合适呢?找来找去,科学家发现“铀238”这位仁兄可担此大任,因为它的半衰期长达44.7亿年,衰变之后成为稳定的铅206。

地球之“钟”算是找到了,可怎么去测呢?这又是个大问题。难道要找地球诞生时的植物遗骸吗?可地球诞生时一片火海,哪有植物?就算有,也不会保存至今呀;就算保存至今,关键是,植物体内根本没有铀238。那么,什么地方有呢?

岩石,对,就是岩石!可问题又来了,你怎么知道哪块岩石最老呢?难道要把地球上的每一块岩石都测一遍?好吧,就算你有伟大的愚公移山精神,坚持测完了所有岩石,并找到了那块年纪最大的岩石,但是你能断定这块岩石是地球的同龄“石”吗?在地球诞生之初就出现的岩石,很可能已经不复存在,它们要么被压碎,要么被融化,抑或被重塑。

怎么办?

20世纪40年代末,芝加哥大学地质教授哈里森·布朗灵光一闪,想到了解决办法:要不试试那些天外来客——陨石。他把这个艰巨的任务交给了学校的一位研究员克莱尔·彼得森。

你一定觉得很奇怪,陨石和地球有什么关系?原来,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,它们一直在外太空,没有受到污染。

所以,只要测量一块几乎和地球同龄的陨石样本里面的铀238与铅206的比例,就可以知道在它身上曾经有多少铀238发生了衰变,从而就能测出地球的年龄。

陨石大多来自火星和木星间的小行星带,少数来自月球和火星,在它们掉落地面之前,就是大家觉得很浪漫的流星。陨石通常分为三大类:石陨石,主要成分是岩石;铁陨石,大部分成分是铁与镍;石铁陨石,成分既有大量的岩石也有金属。流星体在进入大气层时会被加热,发出强烈的光和热,使它的一部分表面被融化。在这个剧烈的反应过程中,它们可能会被雕塑成各种不同的形状,有些会留下像指纹一样的凹陷。

算一算

我们一起来算一算类似的樱桃存放时间问题就明白了。一筐红樱桃(铀238),假设10天为樱桃的半衰期,也就是每隔十天,樱桃腐烂一半,而且腐烂得还很彻底,只剩下樱桃核(铅206)。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。那现在来算算,这8颗樱桃存放了多长时间?

OK,2颗樱桃6粒核,这跟我们打开箱子时看到的情景一模一样。所以,我们就可以计算出箱子里的樱桃大概已经存放了20天。地球的年龄也就是根据陨石样本里铀和铅的比例倒推出来的。

积累越多,身价越高

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。

人类的生活中从来没有离开过辐射,这些辐射来自宇宙射线、地面、建筑物,甚至人体内部。同样,陶瓷也随时接收着辐射,不同的是,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。这就意味着,陶瓷保存的年代越久远,它对辐射能量的积蓄就越多。换句话说,它就越古老,那么身价也就越高。

那么怎么测定陶瓷里到底有多少辐射能量呢?方法是加热。科学家发现,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。

最初烧制陶器的时候,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拨至零。成型后的陶瓷从零开始接收并积累来自外界辐射的能量。年代愈久,积累的能量就越多,热释光量也就愈多。只要加热陶瓷,测量放出光的多少和强弱,就能判断出陶瓷的烧制年份。现在你知道啦,那些被判断为唐朝的瓷器,并不是瞎说,是有根据的哦。

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