地球/3d. 放射性年代測定：利用化學來測定時間
同位素的放射性衰變和激發電子能態的使用已經主導了我們如何測量時間，從你手腕上的手錶和電腦中的石英晶體，到太空中衛星上的原子鐘。測量放射性同位素和電子能態是我們現代生活中測量時間的主要方式。它也使科學家能夠確定幾千年前古抄本的年代，以及揭示地球本身 46 億年的歷史。同位素的放射性衰變徹底改變了我們測量時間的的方式，從毫秒到數十億年，但這一切是如何實現的呢？
首先，想象一個裝滿沙子的沙漏，沙子從兩個由狹窄管道連線的玻璃球體中落下。當翻轉過來時，沙漏上部的沙子會落到沙漏底部。這種沙子下落的速率是線性的，這意味著只有靠近玻璃球體之間開口的沙子會落下。隨著時間的推移，沙漏上部和下部的沙子比例會發生變化，因此在 1 小時後，所有的沙子都會落到底部。請注意，沙漏不能用來測量年，也不能用來測量毫秒，因為在測量年的情況下，所有的沙子都會落下，而在測量毫秒的情況下，在如此短的時間內，不會有足夠的沙子落下。這種比例是透過確定沙漏上部的沙子量和沙漏下部的沙子量來測量的。在處理放射性衰變的化學中，我們將上部的沙子稱為母元素，將下部的沙子稱為衰變的子元素。
放射性衰變不像沙漏那樣工作，因為每個原子都有相同的衰變機率，而在沙漏中，只有靠近開口的沙子會落下。所以，比沙漏更好的比喻是爆米花，特別是微波爆米花。一袋爆米花會有一個玉米粒與爆米花的比例，袋子在微波爐中放的時間越長，袋子裡爆米花就越多。你可以透過測量玉米粒與爆米花的比例來確定袋子煮了多長時間。如果袋子大部分還是玉米粒，那就說明袋子煮的時間不夠長，而如果袋子大部分是爆米花，那就說明袋子煮的時間更長。
一半玉米粒爆開的點被稱為半衰期。半衰期是指一半母原子衰變成子原子所需的時間。在 1 個半衰期後，母元素與子元素的比例為 0.5，在 2 個半衰期後，母元素與子元素的比例為 0.25，在 3 個半衰期後，比例為 0.125，以此類推。每個半衰期，母原子數量減半。在一袋爆米花中，如果半衰期為 2 分鐘，你將有一半未爆開的玉米粒和一半爆米花，在 4 分鐘後，比例將變為 25% 的玉米粒和 75% 的爆米花，在 6 分鐘後，只有 12.5% 的玉米粒會保留下來。每 2 分鐘，玉米粒的數量將減少一半。
你可以把袋子放在微波爐中更長的時間，但玉米粒的數量只會每增加一分鐘減少一半，並且可能會把爆米花燒焦，留下一些玉米粒未爆開。放射性定年法的工作原理相同。
在對地球物質進行年代測定時，首先要考慮的是你實際測定的究竟是什麼。有四個基本時刻決定了測量地球物質年齡的時鐘開始。
- 從液體到固體的相變，例如液體熔岩或岩漿冷卻成固體岩石或晶體的時刻。
- 生物體的死亡，即生物體（植物或動物）停止從大氣或食物來源中吸收新的碳原子的時刻。
- 文物或岩石的埋藏，以及它在地下停留的時間。
- 文物或岩石的出土，即它暴露在陽光下的時間。
碳有兩種穩定的同位素（碳-12和碳-13），以及一種放射性同位素（碳-14），一種具有 6 個質子和 8 箇中子的放射性碳。碳-14 會衰變，而碳-12 和碳-13 穩定且不會衰變。碳-14 衰變為氮-14 會失去一個質子。對於任何碳-14 樣本，一半的原子將在 5,730 年內衰變為氮-14。這就是半衰期，即樣本中一半的原子衰變的時間。這意味著碳-14 測年法非常適合測定 500 到 25,000 年左右的材料的年代。
放射性碳測年法最早是在 1940 年代開發的，由 威拉德·利比 開創，他曾在二戰期間參與曼哈頓計劃，研製原子彈。戰後，利比在芝加哥大學從事碳放射性測年法研究，並因此在 1960 年獲得了 諾貝爾化學獎。放射性碳測年法已經有很長的歷史了！
放射性碳測年法測量的是生物體死亡至今的時間，即生物體（植物或動物）停止從大氣或食物來源中吸收新的碳原子的時刻。它只能用於測定含有碳的有機材料的年代，例如木材、植物、未石化的骨骼、火堆中的木炭以及其他源於有機材料的物質。由於碳-14 的半衰期為 5,730 年，因此這種方法非常適合測定僅有幾百年或幾千年的材料的年代，其上限約為 100,000 年。放射性碳測年法主要用於考古學，尤其是在測定全新世時期（或過去 11,650 年）的材料年代。第一步是收集一小塊要測年的有機材料，並小心避免用有機材料（如你手上的油脂）汙染樣品。樣品通常用鋁箔包裹以防止汙染。在 1980 年代之前放射性測年的早期，實驗室會計算樣本中的衰變次數，測量放射性，放射性越強，材料越年輕。然而，在 1980 年代，出現了一類新型質譜儀，可以對這些樣本中的原子原子質量進行直接測量。這些步驟雖然複雜，但可以得到更精確的年齡估計。這些步驟包括確定碳-14 的含量以及兩種穩定的碳同位素碳-13 和碳-12 的含量。由於含量將取決於材料的含量，科學家們會觀察碳-14 與碳-12 的比例，以及碳-13 與碳-12 的比例。碳-14 與碳-12 的比例越高，材料就越年輕，而碳-13 與碳-12 的比例則用於確保第一次測量中碳-12 的含量沒有過高，並在必要時進行修正。
需要克服的一個技術難題是，傳統的 質譜儀 只測量原子的原子質量，而碳-14 的原子質量與氮-14 相同。氮-14 是大氣中的一種非常常見的成分，也是我們周圍空氣的成分。這對實驗室來說是一個問題。在 1980 年代，一種叫做 加速器質譜法 的新方法應運而生，它解決了這個問題。
該過程的第一步是將你的樣品放入一個特殊的爐子中，在純氧氣流中燃燒碳，或者讓有機碳與氧化銅反應，這兩種方法都會產生 二氧化碳 氣體。二氧化碳氣體（通常經過低溫淨化）與氫氣在 550 到 650 攝氏度的溫度下在鈷催化劑的作用下反應，從樣品中產生純碳粉末石墨和水。石墨被放置在真空中，以防止空氣中的氮-14 汙染。然後用超純氬氣對真空石墨粉進行吹掃，以去除任何殘留的氮-14，這些氮-14 會破壞任何測量結果。將這種石墨或純碳電離，在碳上新增電子，使其帶負電。任何殘留的氮-14 在此過程中都不會帶負電，因為它有一個額外的帶正電的質子。加速器質譜儀將帶負電的原子旋轉起來，以光束的形式高速穿過機器。該光束將包含碳-14，但也包含與 2 個氫原子結合的碳-12 離子，以及與 1 個氫原子結合的碳-13 離子，它們都具有 14 的原子質量。為了去除這些與氫原子結合的碳原子，將原子質量為 14 的分子和原子光束穿過一個剝離器，剝離氫鍵，然後穿過第二個磁體，使碳-12、碳-13 和碳-14 的原子質量在檢測器上擴散，分別對應每個質量。計算碳-14/碳-12 的比率，以及碳-13/碳-12 的比率，並與實驗室標準進行比較。碳-13/碳-12 的比率用於校正實驗室中碳-14/碳-12 的比率，並檢視樣本中是否存在過量的碳-12，這是由於分餾造成的。為了找到實際的年齡（以年為單位），我們需要找到生物體死亡時存在的初始碳-14 含量。
現在，碳-14 是在大氣中由空氣中的氮-14 自然產生的。在平流層中，這些氮-14 原子被來自太陽的宇宙射線撞擊，宇宙射線用熱中子轟擊氮-14，產生碳-14 和一個額外的質子，或者說是一個氫原子。這個過程取決於地球磁場和太陽能，它們在每個半球的變化略有不同，當出現太陽異常現象（如太陽耀斑）時，也會發生變化。利用樹木年輪中的 14-碳/12-碳比率，我們知道每個年輪的年份，因此可以將 14-碳/12-碳比率校準為過去 10,000 年的絕對年數。
用這種方法測定的材料年齡有兩種表達方式：一種是應用這些校正，稱為放射性碳日曆年齡；另一種是隻根據比率確定原始日期，稱為碳-14 測年。放射性碳日曆年齡比簡單的碳-14 測年結果更精確，尤其是在年代較久遠的材料中。
關於確定過去百年材料的初始 14-碳/12-碳比率，有一個令人著迷的事實。由於 1940 年代和 1950 年代的原子武器爆炸，二戰後大氣中的 14-碳含量急劇增加，這一點從樹木年輪資料和大氣中二氧化碳的碳同位素測量結果中可以看出來。
這一事實被研究腦細胞的神經學家所利用，並導致了醫學發現，即出生後不會形成新的腦細胞，因為出生於 1940 年代之前的人在老年時腦細胞中的 14-碳含量低於出生於核時代之後的人的腦細胞，而出生於核時代之後的人的腦細胞中的 14-碳含量要高得多。然而，在過去的幾十年裡，神經科學家發現大腦中有兩個區域，即嗅球（產生嗅覺的地方）和海馬體（儲存記憶的地方），它們在人的一生中會不斷生長新的神經元細胞，但你大腦中的大部分細胞在你的整個生命中都是相同的。
放射性碳測年法非常有效，但就像一個秒錶，它無法測定比 100,000 年更久遠的年代。對於恐龍和更古老的化石，或岩石本身，下一種方法更為廣泛使用。
鉀氬 (K-Ar) 測年法
[edit | edit source]鉀氬測年法是測量數百萬年前的材料年齡的一種好方法，但如果你想測量僅有幾千年的材料，這種方法就不太好，因為它具有很長的半衰期。
鉀氬測年法測量的是物質從液體到固體發生相變的時間，例如液態熔岩或岩漿冷卻成固態岩石或晶體的時刻。它還要求物質在晶格結構中含有鉀。這種方法最常取樣的礦物是 黑雲母、白雲母 以及鉀 長石 類礦物，如 正長石。這些礦物在火山岩和火山灰層中很常見，因此這種方法非常適合測量火山噴發的時間。
如果在化石附近或化石中發現含有這些礦物的火山灰，通常可以找到化石的精確年代，或者可以找到年代範圍，具體取決於火山灰層在化石中發現的地層位置。鉀-40 是放射性的，但它具有非常長的半衰期，為 12.6 億年，因此非常適合確定以百萬年為單位的大部分地質時間範圍內的年代。鉀-40 衰變為氬-40 和鈣-40，其中氬-40 是一種氣體，而鈣-40 是一種固體，而且非常常見，因此我們要關注晶體中捕獲的氬-40 的含量，並將它與晶體中包含的鉀-40 的含量（兩者都很稀有）進行比較。
這需要兩個步驟，首先要確定晶體中含有多少鉀-40，其次要確定晶體中捕獲了多少氬-40氣體。鉀-氬測年法的一個奇妙之處在於，可以假設晶體中初始的氬-40含量為 0，因為它是氣體。當晶體是液體並冷卻成固體時，氬-40並不存在。晶體中發現的唯一氬-40將是由鉀-40的放射性衰變形成，並在此時被捕獲在固體晶體中。鉀-氬測年法的一個問題是，必須使用兩種不同的實驗室方法來測量鉀-40和氬-40的含量，並且要在同一個晶體中進行，並且在進行這兩個獨立的測試時不會破壞晶體。理想情況下，我們希望在一個分析中對晶體上的同一個位置進行兩種測量。雖然鉀-氬測年法誕生於 20 世紀 50 年代，但與另一種更容易且更精確的方法相比，它的使用頻率已經下降，這種方法只需要進行一次測試。
這種方法使用鉀-氬測年技術，但它使對晶粒上的單個點進行單個實驗室分析成為可能，使其比傳統的鉀-氬測年方法精確得多。它的工作原理是，分離含有鉀的晶體，並在顯微鏡下進行研究，確保它沒有任何裂縫或斷裂。所選的晶體被置於中子照射中，這將使任何鉀-39同位素轉化為氬-39同位素，這是一種將被捕獲在晶體中的氣體（這類似於太陽對氮-14所做的，將其轉化為碳-14）。這些氬-39同位素將與晶體中任何放射成因的氬-40同位素結合在一起，成為被捕獲的氣體，因此我們只需要測量氬-39與氬-40的比例即可。
氬-39的數量將決定晶體中大約有多少鉀。在經過中子照射後，樣本晶體將被雷射照射，這將釋放晶體中捕獲的兩種氬氣。這種氣體被真空吸入質譜儀中，以測量 40 和 39 的原子質量。請注意，氬-39 是放射性的，並且以 269 年的半衰期衰變，因此測量的任何氬-39 都是由實驗室進行的照射產生的。通常，這種方法需要大塊、無裂縫且儲存完好的晶體才能獲得良好的結果。晶體的邊緣和晶體內裂縫附近可能導致一些氬-40 氣體洩漏，並導致過年輕的年代。鉀-氬測年法和氬-氬測年法都傾向於給出最小年齡，因此，如果樣本在一個百萬年的誤差範圍內給出 3000 萬年，那麼實際年齡更有可能是 3100 萬年，而不是 2900 萬年。通常，鉀-氬和氬-氬年代比其他證據表明的年代更年輕，並且可能是在某些氬-40 氣體洩漏的裂縫晶體中確定的。研究通常會顯示出取樣的晶體以及雷射照射的位置，以及從晶體中每個點計算出的年代。最大年齡通常出現在晶體中心附近，遠離晶體中的任何邊緣或裂縫。通常，這將使用同一塊岩石中的多個晶體進行，以獲得良好的範圍，並取最佳的最大年齡結果。雖然鉀-氬和氬-氬測年法被廣泛使用，但它確實需要儲存完好的晶體，例如黑雲母等易碎礦物顆粒，這意味著岩石越古老，找到良好晶體的可能性就越低。它也不適用於沉積岩中的搬運火山灰層，因為晶體在搬運過程中會受到破壞。地質學家渴望使用其他礦物，更堅固的礦物，可以存在數十億年，同時保留放射性衰變的化學性質，滿足這些要求的礦物是鋯石。
鋯石是一種堅韌而堅固的礦物，存在於許多火成岩和變質岩中，由矽酸鋯 (ZrSiO4) 組成，形成小的鑽石狀晶體。由於這些晶體相當堅固並且可以承受搬運，因此也存在於許多砂岩中。這些沉積岩中的搬運鋯石被稱為碎屑鋯石。對於大多數鋯石測年，您正在測量從液體到固體的相變時間，即岩漿冷卻成固體鋯石晶體的時間。
鋯石裂變徑跡測年法更準確地測量的是晶體冷卻到 230 到 250 °C 的時間，這被稱為退火溫度。在 900 °C 到 250 °C 之間，鋯石有點像軟糖。鋯石裂變測年法測定的是晶體變硬的較低溫度，而另一種方法測定的是晶體變固體的較高溫度。鋯石由鋯原子與矽酸鹽（二氧化矽和氧四面體）的晶格構成，鋯在晶體中經常被大小和鍵合性質相似的原子取代，包括一些稀土元素，但我們感興趣的是鋯石晶體含有微量的鈾和釷。鈾和釷是元素週期表上兩個最大的天然存在的原子。鈾有 92 個質子，而釷有 90 個質子。這兩種元素都是放射性的，並且衰變，具有很長的半衰期。這些鈾和釷原子就像晶體內部的小炸彈，當其中一個高原子質量原子衰變時，它會引發一系列原子衰變的長鏈反應，其裂變會對晶體的內部結構造成損害。
鋯石晶體越老，它表現出的損傷就越多。裂變徑跡測年法是作為對鉀-氬和氬-氬測年法的獨立測試而開發的，因為它不需要昂貴的質譜儀，而只需要在強大的顯微鏡下觀察晶體並測量由鈾和釷的放射性衰變引起的損傷。鋯石裂變徑跡測年法也用於確定岩石的熱歷史，因為它們在向上穿過地熱梯度時，記錄了冷卻到 250°C 所需的時間。
鈾-鉛測年法是測定岩石年齡最常用的方法，用於確定地球、隕石的年齡，甚至來自月球和火星的岩石的年齡。它已成為放射性測年的標準方法，因為新技術的出現使這種方法變得容易得多。在 20 世紀 50 年代和 60 年代，地質學家渴望找到一種方法，利用鋯石內部的鈾和鉛來獲得一個具體的年代，比基於裂變徑跡測年法的估計更精確，裂變徑跡測年法在某種程度上是主觀的。問題是，所有這些放射性的小原子彈在數百萬年中對鋯石晶體造成的損害，也導致了子產物的損失，這些子產物將在這些衰變事件中逸出，例如氡氣。鈾兩種最常見同位素（鈾-235 和鈾-238）的衰變是一個複雜的事件鏈，在此過程中，放射性氣體氡被產生為其中一步。如果晶體存在裂縫或斷裂，氡氣就會從晶體中逸出，導致比率過低，得到過年輕的年代。如果氡氣仍然保留在晶體中，它會衰變回固體，最終以鉛的形式存在。鉛最初並不存在於鋯石晶體中，鉛只存在於鈾同位素衰變的鋯石中，從而允許放射性測年。
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在 20 世紀 40 年代和 50 年代，一位名叫克萊爾·卡梅倫·帕特森 的年輕科學家試圖透過測定鋯石和隕石的年齡來確定地球的年齡。他不是研究鋯石，而是試圖測定隕石的年齡，隕石中含有穩定的鉛-204 同位素，並使用了一種名為鉛-鉛測年的鈾-鉛測年法。克萊爾·帕特森使用了一個等時線，該等時線透過繪製鉛-206 和鉛-207（由鈾和釷的衰變產生的鉛）與穩定的鉛-204（一種不是由鈾和釷的放射性衰變產生的同位素）的比率，以圖形方式比較了這些比率，得到的斜率將表明樣本的年齡，這條線被稱為等時線，意味著相同的年齡。使用從亞利桑那州的峽谷魔鬼隕石中回收的鉛同位素，帕特森在 1956 年計算出地球的年齡在 45 億年到 46 億年之間。
為了獲得這些鉛的比率，克萊爾·帕特森開發了第一個化學潔淨室，因為他很快發現周圍環境中存在大量的鉛汙染，這些汙染可以追溯到 20 世紀 40 年代和 50 年代汽油、油漆和自來水管中廣泛使用鉛。帕特森在他後來的生活中大部分時間都致力於與企業遊說團體和政客鬥爭，以頒佈法律禁止在諸如燃料和油漆等家用產品中使用鉛。1956 年也是一位名叫喬治·韋瑟里爾 的傑出科學家解決鈾-鉛問題的年份，他發表了一種解決方案，稱為共線圖，有時也稱為韋瑟里爾圖，它允許對鋯石進行直接測年。這些鋯石中存在兩種型別的鈾同位素：鈾-238（最常見），它衰變為鉛-206，鈾-235（第二常見），它衰變為鉛-207（具有不同的半衰期）。
如果您可以測量一系列鋯石晶體中的這兩個比率，並在圖形上比較這些比率，那麼您可以計算鋯石的真實比率，就好像它們沒有損失任何子產物一樣。使用這組比率，您可以確定這兩個比率將在給定年齡時交叉的位置，因此它們將在哪裡彼此一致。這是一個巧妙的解決方案，解決了子產物從鋯石晶體中逸出的問題。如今，地質學家可以分析單個鋯石晶體上的特定點，因此可以選擇晶體上子產物洩漏最少的最佳位置。使用協和圖可以對這些結果比率進行校正。
鈾鉛測年需要您確定兩個比率：鈾 238 與鉛 206 的比率，以及鈾 235 與鉛 207 的比率。鈾 238 與鉛 206 的半衰期為 44.6 億年，而鈾 235 與鉛 207 的半衰期為 7.04 億年，這使得它們非常適合百萬年和十億年的時間尺度。為了對鋯石進行鈾鉛測年，將岩石樣品研磨，並使用重液分離法提取鋯石。這些鋯石在顯微鏡下進行分析。在沉積岩中發現的鋯石將得出鋯石最初從岩漿中形成的年齡，而不是它在沉積層或層中重新沉積的年齡。在沉積岩中發現的鋯石被稱為碎屑鋯石，將產生最大年齡；例如，一個 8000 萬年的碎屑鋯石，可以在 5000 萬年前沉積的沉積岩中找到，而 3000 萬年的差異是鋯石從火成岩中剝蝕和侵蝕的時間，並被運送到沉積岩中。一個 5000 萬年的鋯石 *不會* 在實際上是 8000 萬年的沉積岩中找到，因此碎屑鋯石只會告訴您岩石的年齡比鋯石的年齡年輕。
沉積或形成在含有新鮮鋯石的火成岩或火山灰層中的鋯石可以產生非常可靠的年代，特別是在結晶和沉積之間的時間最短時。
鈾鉛測年的第一步是找到並分離岩石中的鋯石晶體，通常是透過研磨岩石並使用重液分離鋯石晶體。然後在顯微鏡下研究鋯石，以確定它們的新鮮程度。如果在沉積岩中發現了鋯石，它們很可能是碎屑的，並且在晶體中觀察到的損傷將告訴您它們的新鮮程度。碎屑鋯石在研究中被測年以確定沉積地質學家沉積物顆粒的來源，但是，它們通常缺乏精確年代的解析度，除非鋯石晶體沉積在火山灰中，並且沒有被侵蝕和運輸。一旦選擇了鋯石，它們就會使用雷射燒蝕電感耦合等離子體質譜（縮寫為 LA-ICP-MS）進行分析，該方法用雷射照射晶體，燒蝕的物質在極熱溫度下被吸入和電離到質譜儀中，併產生等離子體，該等離子體以高速將原子沿管子傳遞，測量沿等離子體管長度散射的所得原子的原子質量。LA-ICP-MS 測量較大的原子質量原子，例如鉛和鈾。LA-ICP-MS 不需要太多的實驗室準備，並且可以快速分析鋯石，從而形成大量的鋯石分佈樣本，從而得出非常精確的年代。鋯石鈾鉛測年是當今地質文獻中最常見的測年型別，甚至超過了廣泛使用的氬氬測年技術。它也是更實惠的測年方法之一，需要更少的樣品實驗室準備。
使用電子能態進行測年
[edit | edit source]您會注意到這些測年方法中的一點是，它們要麼用於測年少於 100,000 年的有機物，要麼測年 100 萬到 50 億年前的火山或火成礦物。
這使得我們無法使用這些方法對許多材料進行測年，包括直接測年超過 100,000 年的化石，以及沉積岩，因為碎屑鋯石只會給出它們變成固體晶體的年代，而不是它們所在沉積岩的年齡。同樣，使用這些方法，我們無法確定石器或陶器文物、景觀上的冰川地貌的年齡，或者直接測定化石骨骼的年齡。
一個眾所周知難以測年的地方是含有早期人類物種的洞穴沉積物，這些沉積物通常比放射性碳測年的極限更古老。這個問題在圍繞弗洛勒斯人發現的爭議性年齡中得到了體現，該物種是一種體型非常小的早期人類，於 2003 年在印度尼西亞弗洛勒斯島上的一個洞穴中被發現。體質人類學家認為，該物種在形態上與直立人相似，直立人從 149 萬年前到大約 50 萬年前生活在印度尼西亞。 直立人是第一個從非洲遷徙出去的早期人類，在印度尼西亞發現的化石是其中一些最古老的化石，這是根據鉀氬測年和鋯石裂變徑跡測年確定的。然而，從發現這種體型微小的弗洛勒斯人物種的洞穴中進行的放射性碳測年結果遠遠低於預期，得出的放射性碳年代為 18,700 年和 17,400 年，這很古老，但並不像人類學家認為的那樣古老，如果該物種與直立人密切相關。研究人員決定進行第二次分析，他們轉向發光測年。
發光（光激發和熱激發）
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有兩種型別的發光測年，光激發和熱激發。它們測量沉積物或材料上次暴露在陽光（光激發）或熱量（熱激發）下的時間。發光測年在 20 世紀 50 年代和 60 年代發展起來，最初作為一種方法來測年陶器的製作時間。其理念是，在陶器窯中將粘土燒製以硬化陶器時，陶器中的石英晶體會受到強烈的熱量和能量的影響，這種能量的殘餘物在陶器冷卻後會緩慢地衰減。20 世紀 40 年代初期的早期實驗對加熱晶體並觀察晶體暴露於熱量或光照後發射的光照進行觀察，表明材料會發生熒光（自發發光）和磷光，作為材料在暴露於初始光照或熱量後更長時間內發出光照的延遲。
如果您曾經玩過夜光物體，您可以在將物體暴露在光照下，然後關閉光照時看到這一點，物體在很長一段時間內會發光，直到它衰減到您再也無法看到它為止。這種現象被稱為磷光。眾所周知，靠近放射性物質的材料也會發出自發熒光和磷光，這將持續存在，因此它不需要加熱或處於光照中，放射性粒子也可以激發材料發光。
造成這種發光的原因是，透過用強烈的熱量或暴露在陽光（光子）甚至放射性中激發原子中的電子，電子在能級中上升，但是這些電子很快在能級中下降，並在這樣做時發出光子，作為物體冷卻或從光照中移除時觀察到的光照。在某些材料中，這些電子會卡在這些較高的能級上，並緩慢地自發地回到較低的能級，時間更長。當電子從激發態下降時，它們會發射光子，延長材料的發光時間，也許是數千年。
科學家們想要測量古代陶器中剩餘的俘獲電子。觀察到的發光越暗，陶器就越古老。早期的實驗取得了成功，後來這種工具擴充套件到暴露在陽光下而不是熱量下的材料。它的工作原理是確定兩件事，第一是輻射劑量率，因為它會告訴您晶體隨時間吸收了多少輻射。這通常是透過測量樣品及其周圍環境中放射性元素的含量來完成的。第二件事是測量總吸收輻射量，這可以透過將材料暴露在光照或熱量下並測量材料發射的光子數量來完成。使用這兩個測量值，您可以計算出材料上次暴露於初始熱量或光照時的年齡。發光測年有三種類型。
第一種是 TL（或熱發光測年），使用熱量來測量材料發出的光子數量。第二種是紅外激發或 IRSL，第三種是光激發或 OSL，這兩種方法都指的是在實驗室中透過用紅外光或可見光激發光子來測量光子。該技術效果很好，但是材料的暗淡程度存在一個限制，才能為您提供有用的資訊，因此它非常適合 100 到 350,000 年的材料，類似於放射性碳測年範圍，但可以對不同的材料進行，例如陶器、石器文物以及埋藏建築物和石頭的表面。
除了確定弗洛勒斯人的放射性碳年齡外，研究人員還使用發光測年並發現 TL 最大日期為 38,000 年，IRSL 最小日期為 14,000 年，表明在洞穴中發現的骨骼的 18,000 年的日期是正確的。這些年齡是這些沉積物上次暴露在陽光下的時間，而不是它們實際沉積在洞穴中當前位置的時間，因此洞穴內部可能存在大量混合現象。
鈾系測年
[edit | edit source]作為一種大型原子，鈾在很長的半衰期內衰變成鉛，並且存在兩條鈾衰變鏈，一條是鈾-235衰變成穩定同位素鉛-207，另一條是鈾-238衰變成穩定同位素鉛-206。科學家們將其視為這條長衰變鏈的一部分，即鈾-238衰變成鈾-234，這是鈾-238衰變的第一部分。
只需測量鈾-234衰變成釷-230的量。鈾-238衰變成釷-234，半衰期為42.7億年；釷-234衰變成鏷-234，半衰期為27天；然後鏷-234衰變成鈾-234，半衰期也為27天；最後鈾-234，半衰期為245,500年，衰變成釷-230。
鈾-234與釷-230之間的衰變可以用來測量幾十萬年內的事件。這種方法存在一個問題，因為科學家們不知道我們正在測量的骨骼或沉積物中鈾的初始量。骨骼或沉積物中鈾-234的初始量是未知的。鈾氧化物通常被地下水帶入和帶出化石，以及沉積物顆粒之間的孔隙。
因此，與其他測年方法不同，在其他測年方法中，子體產物的初始量被假設為零，或者可以透過實驗確定，例如碳-14測年法，我們無法得出這樣的結論。因此我們必須建立一個擴散模型，通常被稱為模型年齡。
這種方法是將骨骼切片，清潔並使用雷射燒蝕其深度不同的各個點，測量鈾-234與釷-230的比例。由於骨骼隨著時間的推移吸收了更多的鈾-234，因此骨骼的外層比骨骼的內部更富含鈾-234。利用鈾-238、鈾-234和釷-230的梯度，可以建立一個擴散模型來確定化石生物死亡時骨骼中可能的鈾-234含量，以及在此過程中由於鈾-234的衰變而產生的釷-230含量，因為在石化過程中會新增額外的鈾-234。由於添加了鈾-234，以及鈾-234非常稀有的事實，因為它僅由鈾-238的衰變產生，因此這種方法僅用於難以測年的情況，例如測年沉積在難以測年的洞穴沉積物中的化石，特別是在放射性碳測年的上限，即10萬年到50萬年的化石。
鈾系測年法被用來重新檢驗弗洛勒斯人的年齡，方法是觀察化石骨骼本身。弗洛勒斯人骨骼的鈾系測年法得出的年齡在66,000到87,000年之間(修改後的年齡連結)，比附近木炭的放射性碳測年法（17,400到18,700年）和洞穴中沉積物的熱釋光測年法（14,000到38,000年）要古老，但這些年齡是根據實際骨骼本身建模的。這些是模型年齡，因為你必須確定鈾在骨骼石化過程中向骨骼孔隙中的擴散情況，這會導致日期有些主觀。
鈾系測年法也被用於另一個有問題的早期人類洞穴發現，即南非納勒迪人的年齡。使用鈾系測年法對化石牙齒進行了直接測年，得出的最小年齡為200,000年(化石年齡論文連結)，而預測的年齡約為1,000,000年。
儘管如此，鈾系測年法由於對鈾在化石和岩石中的擴散進行了建模，因此往往具有較大的誤差範圍。這取決於鈾-238和鈾-234在洞穴中隨著時間的推移新增到化石中的速度和數量。鈾系測年法實際上只用於傳統測年方法，如放射性碳測年法和鈾-鉛測年法無法進行的特殊情況。
電子自旋共振 (ESR)
[edit | edit source]1986年4月，切爾諾貝利核電站發生嚴重事故，導致爆炸和火災，向附近環境釋放了大量放射性物質。事故直接導致31人死於輻射，237人患上急性放射病。歐洲各地都擔心如何測量事故造成的輻射暴露，蘇聯科學家開發了電子自旋共振技術，透過觀察牙齒，特別是居住在該地區的兒童的乳牙，來測量輻射暴露量。
電子自旋共振是測量原子中未配對電子的數量。當暴露在輻射下時，電子會從其典型的共價鍵中分離，並在軌道內變得未配對，導致原子磁性略有不同。這種輻射損傷會導致分子鍵斷裂，也是輻射導致癌症和損害活細胞的原因。在原子水平上，輻射會斷裂分子，導致活細胞中DNA和蛋白質的錯誤率異常高。電子自旋共振測量材料中自由基電子的數量。
科學家利用這種測量方法，測量了居住在事故附近兒童的牙齒中電子自旋共振的數量，從而確定他們暴露於切爾諾貝利事故的放射性塵埃中的輻射量。這項研究取得了成功，這導致了在化石牙齒中使用相同技術的思路，這些牙齒暴露在地下自然發生的輻射中。
使用電子自旋共振進行測年需要我們知道周圍物質在其歷史中的鈾和放射性含量，並計算其暴露於這種輻射的時間長度。然而，問題是你必須對化石中鈾的吸收量隨著時間的推移進行建模，類似於你在鈾系測年中建立的模型。這是因為在這兩種測年方法中，你都不能假設物質中的鈾（和放射性含量）保持不變，因為隨著時間的推移，新鮮鈾的吸收可能會發生。科學家們通常會關注牙釉質的緻密晶格結構，一種稱為羥基磷灰石的礦物，因為它不易吸收鈾。
電子自旋共振測年法通常與鈾系測年法結合使用，因為它具有相似的年齡範圍，可以用於100到2,000,000年之間的年代。原子中的未配對電子比熱釋光測年中看到的處於較高能量水平的電子更穩定，因此可以測年更古老的化石，最古老可追溯到200萬年。這種測年方法不能用於絕大多數超過200萬年的化石，但可以用來測年化石或岩石埋藏的時間長度，直到這個極限。請注意，電子自旋共振測年法是確定化石埋藏在具有可測量的背景輻射的沉積物中的時間長度。
表面暴露測年法或鈹-10測年法
[edit | edit source]這種測年方法徹底改變了過去250萬年的冰河時代的研究所，並研究了地球最近氣候的冰川和間冰川期迴圈。表面暴露測年法可以確定岩石暴露在陽光下的時間長度。確定岩石暴露在陽光下的時間長度，地質學家可以發現岩石或巨石何時被融化的冰川沉積，以及在過去的冰河時代事件中，這些冰川在區域性範圍內的規模和時間。
其工作原理是，當岩石暴露在陽光下時，它們會受到來自太陽的宇宙射線的轟擊，宇宙射線中含有中子。這些射線導致礦物晶體中的原子發生所謂的散裂，導致宇宙成因核素的積累。
存在多種型別的宇宙成因核素。例如，我們之前談到在實驗室條件下用中子轟擊鉀-40，生成氬-39，從而進行氬-氬測年。同樣的事情也會發生在自然界中，當岩石長時間暴露在陽光下時，你可以測量氬-39的含量。大多數地質學家反而尋找形成固體的原子，因為這些原子更容易從岩石中提取出來，包括鈹-10，這是最常用的宇宙成因核素之一，用於測量。
鈹-10在岩石和巨石形成時並不存在於石英礦物中，但當晶格結構中的氧原子暴露於含有短壽命自由中子的宇宙射線時，鈹-10就會積累。只要岩石暴露在陽光下，鈹-10就會在晶體中積累。鈹-10是一種不穩定的放射性同位素，半衰期為139萬年，使其非常適合在更新世時期的大多數測年應用中使用。迄今為止，大多數被研究的岩石的暴露年齡都不到50萬年，這表明大多數岩石在50萬年內都會重新埋藏。
表面暴露測年法與眾不同，因為我們關注的是鈹-10隨著時間的推移在岩石表面積累的量，因此岩石中鈹-10的含量越多，它暴露在陽光下的時間就越長。如果岩石被掩埋，或者旁邊長了一棵樹，從而被陽光遮蔽，那麼鈹-10的積累就會減慢或停止，隨著時間的推移，它會衰變成硼-10，將岩石中的鈹-10清空，並重置下次暴露在陽光下的時鐘。地質學家必須確保岩石在最近的過去一直很好地暴露在陽光下，沒有被任何自然特徵遮蔽，例如樹木。
地質學家會選擇一塊巨石或岩石，並仔細記錄其位置，以及岩石周圍的地平線，以說明岩石在一天中任何時間段的陽光照射時間長度。
在岩石中鑽一個小型的炸藥，然後收集岩石表面邊緣的岩石碎片。將樣品在實驗室中研磨成粉末，並用氫氟酸消化，以分離石英晶體，將其轉化為強酸中的液體溶液。該溶液與各種化學物質反應，將鈹分離成白色粉末，然後透過質譜儀測量岩石中鈹-10的含量。然後將該含量與岩石在該位置的日照量模型進行比較，該模型考慮了周圍地形特徵，並確定了岩石在地球表面停留的時間。這是一個非常酷的方法，在瞭解地球冰川歷史方面變得非常重要。
磁性地層學是研究沉積岩中鐵礦物的磁性方向。這些方向記錄了沉積岩沉積時磁極的方向。就像磁羅盤一樣，當鐵礦物在熔岩、岩漿或沉積物中傳輸時，會指向當前地球的磁場方向。地球磁場並不固定，而是會移動。事實上，磁極的方向大約每幾十萬年就會隨機切換一次，這樣指南針就會指向南極而不是北極。鐵礦物方向的變化記錄在當時形成的岩層中。測量正常極性（鐵礦物指向北）和反極性（鐵礦物指向南）之間的這些方向，可以得到可以在不同岩層之間相互關聯的事件。
這些不同極性帶的厚度可以與火成岩進行比較，火成岩記錄了絕對年齡（例如使用鉀氬測年法），以及當時岩石的極性，從而可以將沉積岩和火成岩進行關聯。磁性地層學非常重要，因為它允許對含有化石的沉積岩進行測年，即使沒有火山灰層存在。
磁性地層學存在一些問題。一個問題是沉積岩中的岩石可能會退磁。例如，岩石被閃電擊中會打亂鐵粒子的方向。如果沉積速率差異很大，或者存在你不知道的不整合面，也很難將岩層進行關聯。然而，它對於許多岩層非常有效，並且是透過記錄岩石記錄中的這些反轉來確定岩石年齡的一個很好的工具。它也是證明地球構造板塊運動的關鍵技術之一。
在野外採集岩石樣品時，要記錄其確切方向，並小心地取出岩石，不要將其破壞。然後將岩石帶到實驗室，將其放置在鐵籠中，以消除周圍環境磁場的影響。然後將岩石樣品冷凍至絕對零度以上的極低溫度，這樣岩石的殘餘磁性更容易測量，因為沉積岩的磁性不是很強。磁性更強的岩石，如火成岩，則不需要冷卻。然後慢慢地對岩石進行退磁，記錄其方向向量並進行空間繪製。
這些資料點將更多地落在北方或南方，具體取決於沉積時地球的極性。極性反轉事件之間的跨度很短，只有幾百年，大多數時間極性處於正常或反轉狀態。有時極性會迅速變化，而有時極性在數百萬年內都不會變化，這些長時間沒有變化的間隔發生在白堊紀，也就是恐龍時代，持續了 4000 萬年，被稱為白堊紀超級紀，在此期間極性一直保持正常，地質學家不知道為什麼會發生這種情況。
| 方法 | 測年範圍 | 可測年物質 | 衰變過程 |
|---|---|---|---|
| 放射性碳 | 1-70 千年 | 有機物質，如骨骼、木材、木炭和貝殼 | 從生物圈中移除後，有機物中 14C 的放射性衰變 |
| 鉀氬和 40Ar-39Ar 測年 | 1 萬年-50 億年 | 含鉀礦物 | 岩石和礦物中 40K 的放射性衰變 |
| 裂變徑跡 | 100 萬年-100 億年 | 含鈾礦物（鋯石） | 測量 238U 放射性衰變在玻璃和礦物中造成的損傷徑跡 |
| 鈾鉛 | 1 萬年-100 億年 | 含鈾礦物（鋯石） | 鈾透過兩條獨立的衰變鏈放射性衰變為鉛 |
| 鈾系 | 1 千年-50 萬年 | 含鈾礦物、珊瑚、貝殼、牙齒、CaCO3 | 234U 到 230Th 的放射性衰變 |
| 發光（光學或熱激發） | 1 千年-100 萬年 | 石英、長石、石器、陶器 | 基於輻射誘導損傷在礦物晶格中積累的電子而測定的埋藏年齡或加熱年齡 |
| 電子自旋共振 (ESR) | 1 千年-300 萬年 | 從外部來源吸收鈾的含鈾物質 | 基於礦物晶格中輻射誘導順磁中心的丰度而測定的埋藏年齡 |
| 宇宙成因核素（鈹-10） | 1 千年-500 萬年 | 通常來自火山岩或沉積岩的石英或橄欖石 | 表面環境中宇宙射線產生的核素的放射性衰變 |
| 磁性地層學 | 2 萬年-10 億年 | 沉積岩和火山岩 | 測量地層序列中記錄的地球古磁場方向 |
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