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科学家如何应用同位素技术探究世界最古老的对象?

同位素测年 碳-14
发布:2021-01-11 12:01:00    


 

始祖鸟的化石,有史以来最古老的鸟类 图片来源:©James L.Amos

精确地确定日期或确定物体年龄的能力可以让我们了解地球形成的时间,帮助揭示过去的气候并告诉我们人类的早期生活。那科学家是怎么做的呢?

专家表示,放射性碳测年是迄今为止最常用的方法。该方法涉及测量碳14,放射性碳同位素或具有不同数量的中子的原子的数量。Carbon-14在环境中无处不在。英格兰牛津大学的考古学家和放射性碳测年专家托马斯·海厄姆(Thomas Higham)说,在高空大气中形成之后,植物将其吸入,动物将其吸入。

Higham告诉Live Science:“所有活着的东西都会吸收它。”

碳的最常见形式有六个中子,而碳14具有两个中子。这使得同位素比最常见的碳形式重且稳定性差。因此,几千年后,碳14最终崩溃了。它的一个中子分裂成一个质子和一个电子。当电子逸出时,质子仍然是原子的一部分。中子少了一个,质子又有了一个,同位素就变成了氮。

当生物死亡时,他们停止吸收碳14,体内残留的碳开始缓慢的放射性衰变过程。科学家知道给定数量的碳14的一半衰变需要多长时间-这一时间称为半衰期。这样一来,他们就可以通过测量残留在其中的碳14与碳12的比例并将该量与 半衰期碳-14进行比较,从而测量有机物的年龄-无论是动物的皮肤还是骨骼,灰烬或年轮。。

碳-14的半衰期为5,730年,非常适合想要研究最近50,000年历史的科学家。海厄姆说:“这基本上涵盖了人类历史上真正有趣的部分,农业的起源,文明的发展:所有这些事情都发生在放射性碳时期。”

但是,宾夕法尼亚州立大学放射性碳实验室的助理研究员布伦丹·库尔顿说,比那更老的物体的碳14损失了99%以上,几乎无法检测到。对于较旧的物体,科学家不使用碳14作为年龄的量度。相反,他们经常寻找环境中存在的其他元素的放射性同位素。

对于世界上最古老的对象,铀-钍-铅测年是最有用的方法。Higham说:“我们用它来确定地球日期。” 虽然放射性碳测年法仅对曾经存在的材料有用,但科学家可以使用铀-钍-铅测年法来测量诸如岩石之类的物体的年龄。在这种方法中,科学家测量了各种不同的放射性同位素的数量,所有这些放射性同位素都会衰变成稳定的铅形式。这些单独的衰变链始于铀238,铀235和钍-232的分解。

犹他州立大学的地质学家塔米·里特诺(Tammy Rittenour)说:“铀和钍是如此大的同位素,它们总是不稳定的,它们在接缝处爆炸。” 根据环境保护署的数据,这些“母同位素”在分解成铅之前,会先分解成不同的放射性同位素级联,每种半衰期都不同,从几天到数十亿年不等。通过放射性碳测年,科学家们计算了这些同位素之间的比率,并将它们与各自的半衰期进行了比较,利用这种方法,科学家能够对迄今发现的最古老的岩石进行测年,这是在澳大利亚发现的具有44亿年历史的锆石晶体。

最后,另一种定年方法不是告诉科学家物体有多老,而是什么时候最后暴露于热或阳光下。这种方法称为发光测年,受到研究过去一百万年景观变化的地球科学家的青睐-他们可以用它来发现冰川何时形成或后退,何时在山谷上沉积岩石,何时洪水将沉积物倾倒在河流流域。

当这些岩石和沉积物中的矿物被掩埋时,它们就会暴露于它们周围的沉积物发出的辐射中。这种辐射将电子从原子中踢出。一些电子回落到原子中,但另一些电子则卡在空穴或其他缺陷中,而这些缺陷或缺陷周围都是原子密集的网络。它需要第二次暴露在热或阳光下才能将这些电子击回到其原始位置。这正是科学家所做的。它们使样品暴露在光下,并且随着电子落回到原子中,它们会发出热量和光或发光信号。

里滕努尔说:“物体被掩埋的时间越长,它受到的辐射就越多。” 她说,从本质上讲,暴露在大量辐射下的长埋物体将有大量电子被剔除掉,当它们返回原子时,它们会共同发出明亮的光。因此,发光信号的数量告诉科学家物体被掩埋了多长时间。

确定日期对象不仅对理解世界的年龄以及古代人类的生活很重要。法医使用它来解决从谋杀到艺术品伪造的犯罪。Higham说,放射性碳测年可以告诉我们优质葡萄酒或威士忌已经陈化了多久,因此也被假冒了。“有各种各样的不同应用。”最初发表在《生命科学》上。

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