地球行星/3d. 放射性測年：用化學來計時
同位素的放射性衰變和激發電子能態的使用已成為我們計時的主要方法，從你腕錶和電腦中的石英晶體到太空衛星上的原子鐘。測量放射性同位素和電子能態是現代社會計時的主要方法。它也使科學家能夠確定幾千年前的古手稿的年代，以及揭示地球本身的年齡為46億年。同位素的放射性衰變徹底改變了我們測量時間的方式，從毫秒到數十億年，但這是如何做到的呢？
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中落下。當翻轉時，沙漏上部沙子將落到底部。這種沙子下落的速率是線性的，這意味著只有靠近玻璃球之間開口的沙子才會落下。隨著時間的推移，沙漏頂部和底部的沙子比例會發生變化，因此在1小時後，所有沙子都會落到底部。注意，沙漏不能用來測量年，也不能用來測量毫秒，因為在年的情況下，所有的沙子都會落下，而在測量毫秒的情況下，在這麼短的時間內不會落下足夠的沙子。這個比例是透過確定沙漏頂部沙子的數量和沙漏底部沙子的數量來測量的。在化學中，我們稱沙漏頂部的沙子為母元素，底部沙子為衰變子元素。
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才會落下。所以，比沙漏更好的類比是爆米花，特別是微波爆米花。一袋爆米花會有玉米粒和爆米花的比例，這樣，袋子在微波爐中放的時間越長，袋子中的爆米花就越多。你可以透過測量玉米粒和爆米花的比例來確定袋子煮了多長時間。如果袋子中大部分仍然是玉米粒，則袋子煮的時間不夠長，而如果袋子中大部分是爆米花，則煮的時間更長。
一半玉米粒爆裂的點被稱為半衰期。半衰期是母原子的一半衰變為子原子所需的時間。經過1個半衰期，母元素與子元素的比例為0.5，經過2個半衰期，母元素與子元素的比例為0.25，經過3個半衰期，比例為0.125，等等。每個半衰期，母原子的數量減少一半。在一袋爆米花中，如果半衰期是2分鐘，你將有一半未爆裂的玉米粒和一半爆米花，經過4分鐘，比例將是25%的玉米粒和75%的爆米花，經過6分鐘，只有12.5%的玉米粒會保留下來。每2分鐘，玉米粒的數量減少一半。
你可以在微波爐中放更長時間，但玉米粒的數量只會每增加一分鐘減少一半，並且很可能會把爆米花燒焦，留下一些玉米粒仍然沒有爆裂。放射性測年也是這樣工作的。
在對地球材料進行測年時，首先要考慮的是你到底在測年什麼。有四個基本時刻決定了測量地球材料年齡時鐘的開始。
- 從液態到固態的相變，比如液態熔岩或岩漿冷卻成固態岩石或晶體的時刻。
- 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。
- 人工製品或岩石的埋藏，以及它在土壤中停留的時間。
- 人工製品或岩石的開採，以及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則穩定，不會衰變。碳-14衰變成氮-14的過程涉及一個質子的損失。對於任何碳-14樣本，一半的原子將在5730年內衰變成氮-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年齡在500到25000年之間的材料。
放射性碳測年法最早是在20世紀40年代發展起來的，由威拉德·利比開創，他在二戰期間參與了曼哈頓計劃，研製原子彈。戰後，利比在芝加哥大學從事碳放射性測年法的研究，並於1960年獲得了諾貝爾化學獎。放射性碳測年法已經存在很長時間了！
放射性碳測年法測量的是生物體死亡至今的時間，即一個生物體（植物或動物）停止從大氣或食物來源吸收新的碳原子時的時刻。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、火坑中的炭和來自有機材料的其他材料。由於碳-14的半衰期為5730年，這種方法非常適合測定只有幾百年或幾千年的材料，其上限約為10萬年。放射性碳測年法主要用於考古學，特別是用於測定全新世（或過去11650年）期間的材料的年代。第一步是收集一小塊有機材料進行測年，要注意不要用有機材料汙染樣品，例如你手上的油脂。樣品通常用鋁箔包裹，以防止汙染。在20世紀80年代之前，放射性測年的早期階段，實驗室會透過測量放射性來計算樣品中的衰變，放射性越強，材料就越年輕。然而，在20世紀80年代，出現了一種新型的質譜儀，能夠直接測量這些樣品中原子的原子質量。這些步驟很複雜，但可以得到更精確的年齡估計。這些步驟包括確定碳-14的數量，以及兩種穩定的碳型別：碳-13和碳-12。由於含量會取決於材料的含量，因此科學家會觀察碳-14與碳-12的比率，以及碳-13與碳-12的比率。碳-14與碳-12的比率越高，材料就越年輕，而碳-13與碳-12的比率則用於確保第一次測量中沒有過量的碳-12，並在有需要時進行修正。
需要克服的一個技術問題是，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20世紀80年代，開發了一種叫做加速器質譜法的新方法，可以解決這個問題。
該過程的第一步是取樣，並在特殊的爐子中用純氧氣流燃燒碳，或者用氧化銅與有機碳反應，這兩種方法都會產生二氧化碳氣體。二氧化碳氣體（通常是經過低溫清洗的）與氫氣在550到650攝氏度下反應，並加入鈷催化劑，從而從樣品中生成純碳，呈粉狀石墨的形式，以及水。石墨被儲存在真空環境中，以防止來自空氣中氮-14的汙染。然後，用超純氬氣沖洗真空石墨粉末，以去除任何殘留的氮-14，這些氮-14會破壞任何測量，將其置於玻璃小瓶中。這種石墨或純碳被電離，在碳上新增電子使其帶負電。任何殘留的氮-14在該過程中不會帶負電，因為它有一個額外的帶正電的質子。加速器質譜儀使帶負電的原子在高速旋轉，使其以光束的形式穿過機器。這種光束將包含碳-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，剝離器會去除氫鍵，然後穿過第二個磁鐵，從而在探測器上產生碳-12、碳-13和碳-14的原子質量分佈。計算碳-14/碳-12的比率以及碳-13/碳-12的比率，並將它們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，並檢視樣品中是否存在由於分餾造成的碳-12過量。要找到實際的年齡（以年為單位），我們需要找出生物體死亡時存在的碳-14的初始數量。
現在，碳-14是自然地在空氣中由氮-14產生的。在平流層，這些氮-14原子受到來自太陽的宇宙射線的撞擊，宇宙射線用熱中子轟擊氮-14，產生一個碳-14和一個額外的質子，即一個氫原子。這個過程取決於地球的磁場和太陽能，這些因素在每個半球都略有不同，當發生太陽異常事件時，例如太陽耀斑，情況也會有所不同。使用樹木年輪中的14-碳/12-碳比率，我們知道每個樹木年輪的年份，因此我們可以將14-碳/12-碳比率校準到過去10000年的絕對年份。
有兩種方法可以報告用這種方法測定的材料的年齡：一種是應用這些校正，稱為放射性碳日曆年齡；另一種是報告僅根據比率確定的原始日期，稱為碳-14日期。放射性碳日曆年齡比簡單的碳-14日期更精確，尤其是對於較舊的日期。
在過去一百年中，確定材料的初始14-碳/12-碳比率有一件非常有趣的事情。由於20世紀40年代和50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二氧化碳中碳同位素的測量結果中可以看出。
這一事實被研究腦細胞的神經學家所利用，導致了醫學發現：新的腦細胞在出生後不會再生，因為出生於20世紀40年代之前的人在老年時腦細胞中的14-碳含量比出生於核時代之後的人的腦細胞中的14-碳含量低得多。然而，在過去的幾十年裡，神經科學家已經發現了兩個腦區，即嗅球（讓你產生嗅覺的部位）和海馬體（記憶儲存的部位），這兩個部位在人的一生中確實會產生新的神經元細胞，但你大腦的大部分是由你在一生中產生的相同細胞組成的。
放射性碳測年法非常有效，但就像一個秒錶，它不能告訴我們比10萬年更古老的東西的年代。對於恐龍和更古老的化石，或者岩石本身，下一種方法應用更為廣泛。
鉀氬（K-Ar）測年法
[edit | edit source]鉀氬測年法是測量數百萬年前材料年齡的絕佳方法，但如果你想測量只有幾千年的材料，它就不是一個好方法，因為它半衰期非常長。
鉀氬測年法測量的是從液體到固體的相變發生至今的時間，例如，液體熔岩或岩漿冷卻成固體岩石或晶體的時刻。它還需要該材料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，以及鉀長石組礦物，例如正長石。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刻。
如果在化石的出現地點或附近發現含有這些礦物的火山灰，通常可以為化石找到一個精確的日期，或者是一個日期範圍，具體取決於火山灰層在化石地層中發現的位置。鉀-40具有放射性，但半衰期非常長，為12.6億年，因此它非常適合確定大多數地質時間範圍內的年齡，這些時間範圍以數百萬年為單位。鉀-40衰變成氬-40，以及鈣-40，氬-40是一種氣體，而鈣-40是一種固體，非常常見，因此我們想要檢視晶體中捕獲的氬-40的數量，並將該數量與晶體中包含的鉀-40的數量進行比較（這兩種元素都相當稀有）。
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。鉀氬測年法的一個優點是，可以假設晶體中最初的氬-40含量為 0，因為它是一種氣體。氬-40 在晶體還是液體並冷卻成固體時並不存在。晶體中發現的唯一氬-40 是由鉀-40 的放射性衰變形成的，並在此時被捕獲在固體晶體中。鉀氬測年的一個問題是，你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，而且必須在一個晶體中進行，並且在進行這兩個獨立的測試過程中不能破壞晶體。理想情況下，我們希望在一個分析中對晶體上的確切位置進行兩種測量。儘管鉀氬測年法誕生於 20 世紀 50 年代，但與另一種更簡單、更精確的方法相比，它已經變得不那麼常見了，這種方法只需要一個測試。
這種方法使用鉀氬測年技術，但它可以對晶粒上的單個點進行單一實驗室分析，使其比傳統的鉀氬測年法更加精確。其工作原理是，將含有鉀的晶體分離出來，並在顯微鏡下進行研究，確保它沒有以任何方式破裂或斷裂。選定的晶體接受中子照射，這將使任何鉀-39 同位素轉化為氬-39 同位素，這是一種會被捕獲在晶體中的氣體（這類似於太陽對氮-14 的作用，將其轉化為碳-14）。這些氬-39 同位素與晶體中任何放射成因的氬-40 同位素一起作為捕獲氣體，因此我們只需要測量氬-39 與氬-40 的比例。
氬-39 的數量將決定晶體中大約有多少鉀。在接受中子照射後，樣本晶體將被雷射照射，這將釋放出捕獲在晶體中的兩種氬氣。這種氣體透過真空吸入質譜儀中，以測量 40 和 39 的原子質量。請注意，氬-39 是放射性的，其半衰期為 269 年，因此測量的任何氬-39 都是由實驗室中進行的照射產生的。這種方法通常需要較大、未斷裂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部的裂縫附近，可能會讓一些氬-40 氣體洩漏出去，並會導致測得的年代過年輕。鉀氬測年和氬氬測年都傾向於給出最小年齡，因此，如果一個樣本測得 3000 萬年，誤差在 100 萬年以內，那麼實際年齡更可能是 3100 萬年，而不是 2900 萬年。鉀氬測年和氬氬測年的年代往往比其他證據表明的年代更年輕，很可能是從斷裂的晶體中測得的，這些晶體中有一些氬-40 氣體洩漏。研究通常會顯示出所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，這將在同一塊岩石中對多個晶體進行，以獲得良好的範圍，並取最佳的最大年齡。雖然鉀氬測年和氬氬測年被廣泛使用，但它確實需要像黑雲母這樣的脆弱礦物顆粒的良好儲存的晶體，這意味著岩石越古老，就越不可能找到好的晶體。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遭到破壞。地質學家渴望使用其他礦物，更堅固的礦物，這些礦物可以儲存數十億年，並且還能儲存放射性衰變的化學成分。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，形成小的類似鑽石的晶體。由於這些晶體相當堅固，並且可以經受搬運，因此它們也存在於許多砂岩中。沉積岩中的這些搬運鋯石被稱為碎屑鋯石。在大多數鋯石測年中，你測量的是晶體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。
鋯石裂變徑跡測年更具體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，鋯石有點軟。鋯石裂變測年法測定的是晶體變硬時的較低溫度，而另一種方法測定的是晶體變為固體時的較高溫度。鋯石由鋯原子與矽酸鹽（二氧化矽和氧四面體）組成的晶格組成，鋯原子通常被晶體中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中含有微量的鈾和釷。鈾和釷是元素週期表上兩種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，並且會衰變，半衰期很長。這些鈾和釷原子就像晶體內部的微型炸彈，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連鎖反應，其裂變會對內部晶體結構造成損害。
鋯石晶體越老，它所顯示的損傷就越多。裂變徑跡測年法作為一種獨立的測試方法，對鉀氬測年和氬氬測年進行了驗證，因為它不需要昂貴的質譜儀，只需要在強大的顯微鏡下觀察晶體並測量鈾和釷放射性衰變造成的損傷。鋯石裂變徑跡測年法也被用來確定岩石的熱歷史，因為它們向上穿過地熱梯度，記錄了它們冷卻到 250° C 所花費的時間。
鈾鉛測年是測定岩石年齡最常見的方法，用於確定地球、隕石，甚至月球和火星上的岩石的年齡。隨著新技術的出現，這種方法變得更加容易，它已經成為放射性測年的標準方法。在 20 世紀 50 年代和 60 年代，地質學家渴望找到一種方法，利用鋯石中的鈾和鉛來獲得一個具體的年代，比裂變徑跡測年法（這是一種主觀性較強的測年方法）所作出的估計更加精確。問題是，所有這些放射性的小原子彈在數百萬年間對鋯石晶體造成的損害也導致了子產物的損失，這些子產物會在衰變事件中逸出，例如氡氣。兩種最常見的鈾同位素（鈾-235 和鈾-238）的衰變是一個複雜的事件鏈，在這個事件鏈中，放射性氡氣作為其中一個步驟產生。如果晶體存在裂縫或斷裂，氡氣就會從晶體中逸出，從而導致測得的年代過年輕。如果氡氣仍然保留在晶體中，它會衰變回固體，最終成為鉛。鋯石晶體中最初沒有鉛，而鋯石中存在的鉛只是由鈾同位素衰變產生的，這使得放射性測年成為可能。
.svg)
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代來確定地球的年齡。他並沒有研究鋯石，而是試圖測定隕石的年代，隕石中含有穩定的鉛-204 同位素，並使用一種被稱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，該等時線以圖形方式比較了透過鈾和釷的衰變產生的鉛，鉛-206 和鉛-207 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）的比例，透過將這些比例繪製在圖表上，所得的斜率將指示樣品的年齡，這條線被稱為等時線，這意味著相同的年齡。帕特森利用從亞利桑那州的峽谷魔鬼隕石中提取的鉛同位素，計算出地球的年齡在 45 億到 46 億年之間，這一結論是在 1956 年得出的。
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 鉛在汽油、油漆和水管中的廣泛使用。帕特森在後半生的大部分時間裡都在與企業遊說團體和政客作鬥爭，以頒佈法律禁止在家庭產品中使用鉛，例如燃料和油漆。1956 年也是傑出的科學家 喬治·韋瑟里爾解決鈾-鉛問題的年份，他發表了該問題的解決方案，一種被稱為“和諧圖”的東西，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，以及鈾-235（第二常見），它衰變為鉛-207（具有不同的半衰期）。
如果你能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，你就可以計算出鋯石的真實比率，就好像它們沒有損失任何子產物一樣。使用這組比率，你可以確定這兩個比率在給定年齡時會交叉在哪裡，以及它們在哪裡相互一致。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量最小的最佳位置。使用和諧圖可以對這些結果比率進行校正。
鈾-鉛測年需要你確定兩個比率：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，這使它們非常適合百萬年和十億年的時間尺度。要對鋯石進行鈾-鉛測年，需要研磨岩石樣本，並使用重液分離出鋯石。這些鋯石將在顯微鏡下進行分析。沉積岩中的鋯石將給出鋯石最初從岩漿中形成的時間，而不是它在沉積層或岩床上重新沉積的時間。沉積岩中的鋯石被稱為碎屑鋯石，並將給出最大年齡；例如，一個 8000 萬年前的碎屑鋯石可能存在於 5000 萬年前沉積的沉積岩中，而 3000 萬年的差異則是鋯石從火成岩中被挖出並侵蝕，並被輸送到沉積岩中的時間。一個 5000 萬年前的鋯石 *不會* 存在於實際上是 8000 萬年前的沉積岩中，因此碎屑鋯石只會告訴你岩石的年齡小於鋯石的年齡。
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給出非常可靠的年代，尤其是在結晶和沉積之間的時間最短的情況下。
鈾-鉛測年的第一步是找到並分離出岩石中的鋯石晶體，通常是將岩石研磨，並使用重液分離出鋯石晶體。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鋯石，它們很可能是碎屑鋯石，並且在晶體中觀察到的損傷將告訴你它們的“新鮮程度”。碎屑鋯石在研究中被用來確定沉積岩地質學家沉積岩顆粒的來源，但是，它們通常缺乏精確測年的解析度，除非鋯石晶體沉積在火山灰中，並且沒有被侵蝕和運輸。一旦選擇鋯石，它們將使用 雷射燒蝕電感耦合等離子體質譜儀（簡稱 LA-ICP-MS）進行分析，該儀器用雷射照射晶體，燒蝕的物質在極高溫度下被吸入質譜儀並電離，形成等離子體，等離子體以高速將原子穿過管子，測量沿等離子體管長度散射的原子的原子質量。LA-ICP-MS 測量較大的原子質量原子，如鉛和鈾。LA-ICP-MS 不需要太多實驗室準備，鋯石可以快速分析，從而獲得大量鋯石樣本，從而給出非常精確的年代。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，需要較少的樣本實驗室準備工作。
使用電子能態進行測年
[edit | edit source]你會注意到關於這些測年方法的一點是，它們要麼用來測年小於 100,000 年的有機物，要麼測年 100 萬年到 50 億年前的火山或火成礦物。
這讓我們無法使用這些方法來測年許多材料，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時間，而不是它們所在的沉積岩的年齡。此外，使用這些方法，我們還無法確定石器或陶器文物，地貌上的冰川特徵，或直接的化石骨骼的年齡。
一個特別難以測年的地方是含有早期人類物種的洞穴沉積物，這些沉積物的年齡通常超過了放射性碳測年的極限。這一問題在圍繞 弗洛勒斯人發現的爭議性年齡中得到了體現，弗洛勒斯人是 2003 年在印度尼西亞弗洛勒斯島的一個洞穴中發現的一種非常小的早期人類物種。體質人類學家認為，該物種在形態學上與直立人相似，直立人生活在印度尼西亞，從 149 萬年前到大約 50 萬年前。 直立人是第一個從非洲遷徙出來的早期人類，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-氬和鋯石裂變徑跡測年確定的。然而，從發現弗洛勒斯人這種小型物種的洞穴中獲得的放射性碳測年結果遠小於預期，得出的放射性碳年代為 18,700 年和 17,400 年，這很古老，但不像人類學家所暗示的那樣古老，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，並轉向了熱釋光測年。
熱釋光（光激發和熱激發）
[edit | edit source]
有兩種型別的 熱釋光測年，光激發和熱激發。它們測量沉積物或物質上次暴露在陽光（光激發）或熱量（熱激發）下的時間。熱釋光測年是在 20 世紀 50 年代和 60 年代開發的，最初作為一種測年陶器製作時間的方法。這個想法是在陶器窯中燒製粘土以使陶器變硬的過程中，陶器中的石英晶體會受到強烈的熱量和能量的影響，這些能量的殘留物在陶器冷卻後很長時間內會慢慢變暗。20 世紀 40 年代初期的早期實驗對加熱晶體並觀察晶體受到熱量或光照後發出的光進行了研究，結果表明，材料可以發出熒光（自發發光）和磷光，這是材料發出光線的延遲，在材料受到初始光照或熱量影響後會持續很長時間。
如果你玩過夜光物體，你會發現當物體暴露在光線下時會發生這種情況，然後關掉光，物體就會發光很長時間，直到它暗淡到你看不見為止。這種效應被稱為 磷光。人們還知道，靠近放射性物質的材料也會發出自發熒光和磷光，這些熒光和磷光會持續很長時間，因此它不需要被加熱或放在光線下，放射性粒子也可以激發材料發光。
引起這種發光的原因是，透過用強烈的熱量、暴露在陽光（光子）下，甚至放射性物質激發原子中的電子，電子在能量水平上上升，但是這些電子很快下降到能量水平，並在下降過程中以可觀察的光的形式發出光子，當物體冷卻或從光線下移開時就會出現這種情況。在一些材料中，這些電子會卡在這些較高的能量水平上，並且會在更長的時間內慢慢地自發地返回到較低的能量水平。當電子從激發態下降時，它們會發出光子，從而使材料在更長的時間內發光，甚至可能持續數千年。
科學家們想要測量古代陶器中殘留的俘獲電子。觀察到的光線越暗，陶器就越古老。早期的實驗取得了成功，後來這種工具被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，因為它會告訴你晶體隨著時間的推移吸收了多少輻射。這通常是透過測量樣品和周圍環境中放射性元素的含量來完成的。第二件事是測量吸收的總輻射量，這可以透過將材料暴露在光或熱中並測量材料發射的光子數量來完成。利用這兩個測量值，你可以計算出材料受到初始熱量或光照後的年齡。發光年代測定法有三種類型。
第一種是 TL（或熱發光年代測定法），使用熱量來測量材料釋放的光子數量。第二種是紅外線激發或 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使用紅外光或可見光激發來測量光子的方法。這項技術非常有效，但材料的光線暗淡程度存在極限，才能提供有用的資訊，因此它適用於 100 到 350,000 年的材料，類似於放射性碳測年法的範圍，但可以用於不同的材料，如陶器、石器和掩埋建築物的表面以及石工製品。
除了確定弗洛勒斯人（Homo floresiensis）的放射性碳年齡外，研究人員還使用了發光年代測定法，發現 TL 的最大日期為 38,000 年，IRSL 的最小日期為 14,000 年，這表明在洞穴中發現的骨骼的 18,000 年的日期是正確的。這些年齡是指這些沉積物上次暴露在陽光下的時間，而不是它們在洞穴中當前位置沉積的時間，因此洞穴內部很可能存在大量的混合。
鈾系測年法
[edit | edit source]作為一種大型原子，鈾在非常長的半衰期內衰變成鉛，並且存在兩個鈾衰變鏈，一個用於鈾-235，衰變成穩定的同位素鉛-207，另一個用於鈾-238，衰變成穩定的同位素鉛-206。科學家們只觀察了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 也以 27 天的半衰期衰變成鈾-234，最後鈾-234 以 245,500 年的半衰期衰變成釷-230。
鈾-234 和釷-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含量。骨骼或沉積物中鈾-234 的初始含量是未知的。鈾氧化物通常由地下水攜帶，進入和離開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的是，其他測年方法假設子體的初始含量為零，或者有一種實驗方法來確定它，比如碳-14 測年法，我們不能這樣做。因此，我們必須建立一個擴散模型，這通常被稱為“模型年齡”。
實現這一點的方法是，將骨骼切片、清洗並在其深度不同位置進行雷射燒蝕，測量鈾-234 和釷-230 之間的比率。因為骨骼隨著時間的推移吸收了更多的鈾-234，所以骨骼的外層將比骨骼內部富含鈾-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鈾-234 的含量，以及釷-230 的含量，這些釷-230 是由這種鈾-234 的衰變產生的，因為在石化過程中加入了額外的鈾-234。由於這種鈾-234 的增加，以及鈾-234 非常稀有這一事實，因為它僅僅是鈾-238 衰變的產物，所以這種方法僅用於困難的案例，例如對難以測年的洞穴沉積物中的化石進行測年，特別是對放射性碳測年法上限範圍內的化石進行測年，即 100,000 到 500,000 年的化石。
鈾系測年法被用來重新檢驗弗洛勒斯人（Homo floresiensis）的年齡，方法是觀察化石骨骼本身。弗洛勒斯人（Homo floresiensis）骨骼的鈾系測年結果顯示，年齡在 66,000 年到 87,000 年之間(連結到修正的年齡)，比附近木炭的放射性碳測年結果（17,400-18,700 年）和洞穴中沉積物的發光年代測定結果（14,000-38,000 年）要老，但它是根據實際骨骼本身建立的模型。這些是模型年齡，因為你必須確定鈾在化石在洞穴中石化時進入骨骼孔隙的擴散過程，這可能會產生一些主觀的日期。
鈾系測年法也被用於另一個有問題的早期人類洞穴發現，即南非升星洞穴中發現的納勒迪人（Homo naledi）的年齡。使用鈾系測年法直接對化石牙齒進行測年，得出最小年齡為 200,000 年(連結到關於化石年齡的論文)，而此前預測約為 1,000,000 年。
雖然鈾系測年法由於對鈾進入化石和岩石的擴散過程進行建模，因此往往具有較大的誤差範圍。這取決於鈾-238 和鈾-234 隨著時間的推移進入洞穴中的化石的速度和數量。鈾系測年法實際上只在傳統的測年方法（如放射性碳測年法和鈾-鉛測年法）無法進行的情況下使用。
電子自旋共振 (ESR)
[edit | edit source]1986 年 4 月，切爾諾貝利核電站發生了一起嚴重的堆芯熔燬事故，導致爆炸和火災，將大量的放射性物質釋放到附近環境中。這場事故直接導致 31 人死於輻射，237 人患上急性放射病。歐洲各地都開始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，尤其是生活在該地區的兒童的乳牙，來測量輻射暴露。
電子自旋共振是對原子中未配對電子的數量進行測量。當暴露在輻射下時，電子會從其典型的共價鍵中分離，並在軌道中變得未配對，導致原子磁性發生微小的變化。這種輻射損傷會導致分子鍵斷裂，這也是輻射導致癌症和活細胞損傷的原因。在原子層面上，輻射會導致分子斷裂，導致活細胞中的 DNA 和蛋白質出現異常高的錯誤。電子自旋共振測量材料中自由基電子的數量。
利用這種測量方法，科學家們測量了生活在事故附近兒童牙齒中的電子自旋共振量，以確定他們從切爾諾貝利事故中受到的輻射塵暴露量。這項研究取得了成功，這使得人們萌發了在化石牙齒中使用相同技術的念頭，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知道周圍材料在其歷史上的鈾含量和放射性，並計算出暴露於這種輻射的時間長度。然而，問題在於你必須對化石中鈾的吸收量進行建模，這類似於你使用鈾系測年法建立的模型。這是因為在這兩種測年方法中，你都不能假設材料中的鈾（和放射性含量）保持不變，因為隨著時間的推移，鈾很可能會有新的吸收。科學家們通常會關注牙釉質的緻密晶格結構，這是一種名為羥基磷灰石的礦物，因為它不太容易吸收鈾。
電子自旋共振通常與鈾系測年法結合使用，因為它具有類似的年齡範圍，可以使用它從 100 年到 2,000,000 年。原子中的未配對電子比發光年代測定法中更高能級的電子更穩定，因此可以對更古老的化石進行測年，最長可達 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被埋藏的時間長度，上限為 200 萬年。請注意，電子自旋共振測年法確定的是化石被埋藏在具有可測量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對過去 250 萬年冰川期的研究，以及對地球最近氣候的冰期和間冰期迴圈的研究。表面暴露測年法可以確定一塊岩石暴露在陽光下的時間長度。確定一塊岩石暴露在陽光下的時間長度，使地質學家能夠發現這塊岩石或巨石是由融化的冰川沉積下來的時間，以及在過去冰川期事件中，這些冰川在區域性範圍內的範圍的時間。
它的工作原理是，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。這些射線會導致礦物晶體中的原子發生所謂的“濺射”，從而導致宇宙成因核素的積累。
存在許多不同型別的宇宙成因核素。例如，我們之前討論過在實驗室環境中，鉀-40 被中子轟擊，併產生氬-39，在氬-氬測年法中也是如此。當岩石長時間暴露在陽光下時，自然界也會發生同樣的情況，你可以測量氬-39 的含量。大多數地質學家會尋找形成固體的原子，因為它們更容易從岩石中提取出來，包括鈹-10，它是使用最廣泛的宇宙成因核素之一，用於測量。
鈹-10 在岩石和巨石形成時，不會出現在常見的石英礦物中，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，會逐漸積累。 只要岩石暴露在陽光下，鈹-10 就會在晶體中積聚。 鈹-10 是一種不穩定的放射性同位素，半衰期為 139 萬年，使其成為全新世時期大多數測年應用的理想選擇。 到目前為止，大多數研究的岩石的暴露年齡都小於 50 萬年，表明大多數岩石在 50 萬年內就會被重新埋藏。
表面暴露測年法不同，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，所以岩石中鈹-10 越多，它暴露在陽光下的時間就越長。 如果岩石由於埋藏而被遮蔽陽光，或者附近長了樹木，那麼鈹-10 的積累就會減緩或停止，並且隨著時間的推移會衰變成硼-10，從岩石中排出鈹-10，並重置時鐘，以便下次暴露在陽光下時重新開始計時。 地質學家必須確保岩石在最近一段時間內一直充分暴露在陽光下，並且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，仔細記錄其位置，以及岩石周圍的地平線，以考慮該位置任何一天的日照時長。
在岩石中鑽一個小型炸藥孔，收集岩石表面的岩石碎片。 將樣品在實驗室中研磨成粉末，用氫氟酸消化，分離出石英晶體，然後將其轉化為強酸中的液體溶液。 將這種溶液與各種化學物質反應，將鈹分離成白色粉末，然後將其透過質譜儀測量岩石中鈹-10 的含量。 然後將此含量與該位置岩石暴露在陽光下的模型進行比較，並考慮周圍特徵的地形，從而確定岩石在 地球表面停留的時間。 這是一個相當酷的方法，它在理解地球的冰川歷史方面變得非常重要。
地磁地層學
[edit | edit source]地磁地層學 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、岩漿或沉積物中運輸時，會指向當前地球的磁場。 地球磁場不是靜止的，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，因此指南針會指向南極而不是北極。 這種鐵礦物方向的變化記錄在那個時期形成的岩層中。 測量正常極性（鐵礦物指向北方）和反向極性（鐵礦物指向南方）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。
這些變化極性帶的厚度可以與火成岩巖相比，火成岩巖記錄了絕對年齡（例如使用鉀氬測年法），以及那個時期的岩石極性，從而可以將沉積岩和火成岩相互關聯。 地磁地層學非常重要，因為它可以對含有化石的沉積岩進行測年，即使沒有火山灰層存在。
地磁地層學存在幾個問題。 其中一個問題是岩石會在沉積岩中發生退磁。 例如，岩石被閃電擊中會打亂鐵顆粒的方向。 如果沉積速率差異很大，或者存在未知的斷層，也很難將岩層相互關聯。 但是，它對許多岩層非常有效，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絕佳工具。 它也是證明地球板塊運動的關鍵技術之一。
透過記錄岩石的精確方向，並小心地提取岩石以防止其斷裂，在野外收集岩石樣本。 然後將岩石帶到實驗室，將岩石放置在一個鐵籠中，以消除周圍環境磁場的影響。 將岩石樣本低溫冷卻到接近絕對零度的極低溫度，這樣岩石的剩餘磁性更容易測量，因為沉積岩的磁性不強。 磁性更強的岩石，例如火成岩，不需要冷卻。 緩慢地對岩石進行退磁，並記錄方向向量，並在空間上進行繪製。
這些資料點會更多地落在北方或南方，這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向狀態。 有時候極性變化很快，而有時候極性幾百萬年都不會改變，在白堊紀期間，也就是恐龍時代，極性沒有變化的長時間間隔長達 4000 萬年，被稱為白堊紀超紀，在這個時期極性一直處於正常狀態，地質學家不知道為什麼會出現這種情況。
方法概述
[edit | edit source]| 方法 | 測年範圍 | 可測年材料 | 衰變過程 |
|---|---|---|---|
| 放射性碳 | 1 - 70 千年 | 有機材料，如骨骼、木材、木炭和貝殼 | 有機物從生物圈中移除後，14C 的放射性衰變 |
| 鉀氬和 40Ar-39Ar 測年法 | 1 萬 - 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 - 100 億年 | 含鈾礦物（鋯石） | 測量 238U 放射性衰變在玻璃和礦物中產生的損傷徑跡 |
| 鈾鉛 | 1 萬 - 100 億年 | 含鈾礦物（鋯石） | 鈾透過兩個獨立的衰變鏈放射性衰變為鉛 |
| 鈾系 | 1 千 - 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（光激發或熱激發） | 1 千 - 100 萬年 | 石英、長石、石器、陶器 | 基於輻射引起的礦物晶格中電子損傷積累的埋藏或加熱年齡 |
| 電子自旋共振 (ESR) | 1 千 - 300 萬年 | 從外部來源吸收鈾的含鈾材料 | 基於礦物晶格中輻射引起的順磁中心的丰度確定的埋藏年齡 |
| 宇宙成因核素（鈹-10） | 1 千 - 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 |
| 地磁地層學 | 2 萬 - 10 億年 | 沉積岩和火山岩 | 測量地層序列中記錄的地球磁場的古代極性 |
| 上一頁 | 當前頁 | 下一頁 |
|---|---|---|