核时钟—放射性同位素地质年龄测定.pdf

核时钟 放射性同位素地质年龄测定 [ 美] 亨利福尔著 秋 平译 李耀松校 原子能出版社出版 （北京 2 1 0 8 信箱） 张家口地区印刷厂印刷 （张家口市建国大街 8 号） 新华书店北京发行所发行新华书店经售 开本 7 8 7 1 0 9 2 1 ／3 2 印张 2 1 / 8 字数 4 5 千字 1 9 8 0 年 1 0 月第一版1 9 8 0 年 1 0 月第一次印刷 印数 0 0 1 2 1 0 0 统一书号1 5 1 7 5 2 3 9 定价0 . 2 5 元 出版说明 一提到原子能，就要和不可捉摸的放射性联系在一起，一些人往往望 而生畏，敬而远之，这说明原子科学领域对于许多人还是陌生的。其实原 子能既不可怕，也不神秘，它在我们的生活中正在起着愈来愈大的作用。 为了介绍原子能的基本知识和应用情况，我们有选择地翻译出版美国 当代原子能学者和专家编写的原子能知识丛书（U n d e r s t a n d i n g t h e a t o m s e r i e s ）。这套丛书取材广泛、内容丰富、语言生动、深入浅出，具有中 等文化水平的读者，花一些气力，读懂它是不成问题的。 随着科学技术的急速发展，书中引用的有些材料已经过时，但是这些 材料对于理解基本概念还是有价值的。 目 录 一、引言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（2 ） 二、同位素地质年龄测定的理论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（6 ） 三、碳- 1 4 法年龄测定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（1 1 ） 1 . 基本原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（1 1 ） 2 . 碳- 1 4 的计数. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（1 4 ） 3 ．应用碳- 1 4 法的成果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（1 9 ） 四、利用长寿命同位素的年龄测定法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（2 0 ） 1 . 铷- 锶法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（2 2 ） 2 . 铀裂变径迹法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（2 6 ） 3 . 铀- 铅法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（2 9 ） 五、地球的年龄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（2 9 ） 1 . 怎样测定地球年龄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（3 1 ） 2 . 分析技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（3 3 ） （1 ）同位素稀释法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（3 4 ） （2 ）质谱测定法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（3 5 ） 3 . 可以测定年龄的矿物 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（3 7 ） （1 ）钾长石 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（3 7 ） （2 ）云母 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（3 8 ） （3 ）低锶长石 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（3 9 ） （4 ）锆石 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（4 0 ） （5 ）角闪石 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（4 2 ） （6 ）透长石 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（4 2 ） （7 ）全岩样品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（4 2 ） 六、一些有趣的结果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（4 3 ） 1 . 奥杜瓦伊古人 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（4 3 ） 2 . 地质年代表 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（4 4 ） 3 . 前寒武纪地层学 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（5 0 ） 七、展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（5 1 ） 词汇 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（5 2 ） 附录放射性衰变 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .（5 7 ） 在苏丹正在挖掘着一座 1 4 0 0 0 年前的古墓。为了确定如此古老遗物的 年代，考古学家们在寻找能用碳- 1 4法测定年龄的所有木片或木炭屑。用 碳- 1 4 法测定年龄，是本书所介绍的“核时钟”的一种 一、引 言 石头是什么时候形成的 人类存在多久了 地球的年龄是多少 要想弄清楚人们为什么要知道这些问题的答案是很困难的，然而从人 类社会的启蒙时期起，人们就一而再、再而三地提出这些问题。在每一种 文化的记载中都能发现有人试图探讨那种超乎年纪最大的老人的记忆、超 乎历史记载、甚至超出最古老的传说的过去。 人类早就对遥远的过去产生了好奇心，但是直到最近才有了测量很长 的时间间隔唯一可靠的方法。在 1 8 9 6 年亨利贝克勒尔发现放射性 1 之后， 1 8 9 8 年居里夫妇确定了某些原子是放射性的，它们自发地以恒定的速率变 成其他原子。在这之后，测量很长的时间间隔才有了可能。假设某种东西 能自发地逐渐变成另一种东西，而且这一转变以已知速率进行，同时假定 这一变化的所有产物都保持在某种封闭体系中，则从理论上说，计算从这 一过程开始所经历的时间是可能的。人们早就知道这一理论了，唯一的问 题是如何满足所有这些条件。 在 1 9 1 0 年以前，科学家就肯定了地球的年龄是非常老的。对一些含铀 矿物的分析表明，地球的年龄有几亿年，即使这种铀是取自地层中已知的 相对年轻的岩石也是如此。但是那时的测量方法还不够准确，并且那时可 供这种粗略测定年龄方法用的矿物也很少。只有那些稀有的，一般具有强 放射性的矿物，才有足够的放射性衰变 ①产物供分析之用。 直到第二次世界大战前夕，哈佛大学物理学家 A ．O ．C ．尼尔发明质 谱仪之前的大约三十年中，没有取得多大进展。随后，在战争年代里，技 术得到了迅速发展。 美国制造原子弹的曼哈顿计划 ②研究了一些新的科学技 术。当战争结束后，这些科学技术才可能被用于测定地质年龄。 1 9 4 6 年 A ．霍姆斯 （A r t h u r H o l m e s ）和 F ．G ．霍特曼斯 （H o u t e r m a n s ） 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 2 0 3 0 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 4 5 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 1 9 5 5 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1 0 1 1 中新世1 4 2 5 渐新世1 5 4 0 始新世2 0 6 0 新 生 代 古新世1 0 7 0 2 白垩纪6 5 1 3 5 5 侏罗纪4 5 8 0 5 三叠纪4 5 中 生 代 2 2 5 5 二叠纪4 5 2 7 0 5 石炭纪8 0 3 5 0 1 0 泥盆纪5 0 4 0 0 1 0 志留纪4 0 4 4 0 1 0 奥陶纪6 0 5 0 0 1 5 寒武纪1 0 0 古 生 代 6 0 0 2 0 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- 1 4 法木料、泥炭、木炭植物死亡时刻1 0 3 5 1 0 4 骨头、贝壳类动物死亡前不久2 1 0 3 3 . 5 1 0 4 云母，某些全岩样品 岩石最后冷却至 约 3 0 0 ℃的时间 ≥ 1 0 5 钾- 氩法 角闪石、透长石 岩石最后冷却至 约 5 0 0 ℃的时间 ≥ 1 0 7 云母 岩石最后冷却至 约 3 0 0 ℃时间 ≥ 5 1 0 6 钾长石 岩石最后冷却至 约 5 0 0 ℃的时间 ≥ 5 1 0 7 铷- 锶法 全岩样品 岩石形成封闭单 元 的 时 间 ≥ 1 0 8 铀- 铅法锆石晶体形成时间≥ 2 1 0 8 铀裂变径迹法多种物质岩石最后冷却时间 1 0 0 1 0 9 （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）；并且其中大多数，只是由于能用人工方法生产出来， 在今天才知道有它们。这些人工放射性核素中，有的可能在太阳系形成的 时候存在过，然而由于不停的衰变，现在已衰变到它们起始量的非常微小 的部分，以致不能再探测到它们了。只有少数几种放射性核素（表 2 ）的 衰变慢得足以延续到今天，所以还存在于自然界中。 表 2 天然存在的长寿命放射性核素 母体核素子体产物半衰期（年）*衰变类型 钾- 4 0氩- 4 0 钙- 4 01 . 2 6 1 0 9 （总）电子俘获β衰变 钒- 5 0钛- 5 0 铬- 5 06 1 0 15 （总）电子俘获β-衰变 铷 8 7锶- 8 74 . 7 1 0 10 β衰变 铟- 1 1 5锡- 1 1 55 1 0 14 ／β- 衰变 碲- 1 2 3锑－ 1 2 31 . 2 1 0 13 电子俘获 镧- 1 3 8钡- 1 3 8 铈- 1 3 81 . 2 1 0 11 总） 电子俘获β- 衰变 铈- 1 4 2钡- 1 3 85 1 0 16 α衰变 钕- 1 4 4铈- 1 4 02 1 0 15 α衰变 钐- 1 4 7钕- 1 4 31 . 0 7 1 0 11 α衰变 钐- 1 4 8钕- 1 4 4＞ 3 1 0 14 α衰变 钐- 1 4 9钕- 1 4 5＞ 1 0 15 α衰变 钆- 1 5 2钐- 1 4 81 . 1 1 0 14 α衰变 镝- 1 5 6钆- 1 5 22 1 0 14 α衰变 铪- 1 7 4镱- 1 7 02 . 0 1 0 15 α衰变 镥- 1 7 6铪- 1 7 63 1 0 10 α衰变 铼- 1 8 7锇- 1 8 75 1 0 10 β衰变 铂- 1 9 0锇- 1 8 66 . 1 1 0 11 α衰变 铅- 2 0 4汞- 2 0 01 . 4 1 0 17 α衰变 钍- 2 3 2铅- 2 0 81 . 4 1 0 10 6 α 4 β** 铀- 2 3 5铅- 2 0 77 . 1 1 0 8 7 α 4 β 铀- 2 3 8铅－ 2 0 64 . 5 1 1 0 9 8 α 6 β * 本书的半衰期数据已按原子能出版社出版的“核素表”校订。 * * 这一衰变过程中共有六个 a 衰变和四个β衰变（见附录） 在某种放射性核素的大量原子核中，在一定时间内将有一定比例的核 发生衰变。我们取这一比例为 1 / 2 ，并测量该半数原子核发生衰变所经过 的时间，把这一时间叫做这一特定核素的半衰期。测量半衰期有许多精确 的物理方法。在一个半衰期的时间内，原子核的半数将发生衰变，在下一 个半衰期中，剩余的原子核又有半数将发生衰变，依此类推。我们将这一 特性示于下表 经过的时间剩余的原子核数／起始 （半衰期数）的原子核数 11 ／2 21 ／4 31 ／8 41 ／1 6 51 ／3 2 61 ／6 4 71 ／1 2 8 ⋯⋯⋯⋯ 也就是说，经过七个半衰期之后，起始放射性物质还剩下不到 1 ％， 而其 9 9 ％以上的原子则转变成了其他核素的原子。这种过程可以作为一种 钟表（计时器）的基础。实际上它像早先用于计时的砂漏的顶室一样工作 着。这一过程的数学表达式为 NN e t − 0 λ 式中 N 为 t 时刻体系中存在的放射性原子数； N 0为 0 时刻（或者说，当这一计时器开始起动时）体系中存在的放射 性原子数； λ为单位时间内每个放射性物质原子发生衰变的几率，叫衰变常数； t 为体系开始存在后所经历的时间，用同一时间单位表示； e 为自然对数（讷皮尔对数 ①）的底，e 2 . 7 1 8 ⋯⋯ 很明显，在一般的计算中，只知道上式中的 N 和λ，我们还不能计算 出时间 t ，因为式中有两个未知数N 0和 t 。但是在封闭体系中，已经衰 变的原子并没有消失在稀疏的空气中。它们只不过变成了叫作子体原子的 其他原子，并仍保留在这一体系中。 物质中任一时刻都同时存在着母体原子和子体原子。物质的年代越 长，子体原子就越多，母体原子就越少。有些子体原子也是放射性的，但 是这并不能改变这一基本状况。所以 N 0 N D 式中 D 为子体原子数（即衰变了的母体原子数）。我们可将其代入第一个 公式，得 N N D（）e t−λ 解出 t 1 1n 1D N λ （）/ 式中 1 n 是以 e 为底的自然对数。 ■ 这种体系可以粗略地用古代流行的砂漏来表示，在图中标出了公式中 使用的参数。 （但应注意，这仅是大致相似，核时钟以对数衰减速率进行， 而一个准确的砂漏却以近似不变的速率工作）。 请记住，衰变了的原子核并没有消失。它只是变成了另一种原子核， 这种新核形成能被自然过程捕获和固定下来的原子，已衰变的原于核就这 样被收集起来，因而就像我们有了砂漏的底室一样。 但是，有时我们只需要砂漏的顶室。 ① 以自然对数的创造者讷皮尔的名字命名。讷皮尔是苏格兰数学家（15501617），他还发明了小数点。 三、碳- 1 4法年龄测定 1 ．基本原理 碳- 1 4的衰变是只有顶室的砂漏的最好的例子。在高空大气中，来自 宇宙线的中子轰击氮- 1 4 原子，不断地以一定的速率产生着碳- 1 4 。这个反 应是 1 4 N 中子→1 4C 质子 接着碳- 1 4 就发生放射性衰变，其半衰期为 5 6 9 2 年。 1 4 C →1 4N 电子（β粒子） 碳- 1 4 发射一个电子，并又变为氮。 据人们推测，在第一颗原子弹爆炸前至少 5 0 0 0 0年中，碳- 1 4在大气 中曾以一定的速率产生着。换句话说，碳- 1 4的循环像一个向顶室补充砂 子的速度正好等于由腰部的漏孔流出砂子的速度的砂漏一样。产生的速度 等于衰变的速率这一类过程叫永久平衡。 新产生的碳- 1 4很快与空气中的二氧化碳均匀混合在一起，被所有活 着的植物所吸收，进而通过各种途径进入所有活着的动物体内。实际上在 活着的生物体的所有碳中，碳- 1 4的比例都是相同的。如果任何这种碳离 开循环，例如树枝被折卞来，或者海贝在海洋中死摔，则就没有新的碳- 1 4 加到这一特定体系中来了，但原有的碳- 1 4却不断衰变。这时它就像下面 右图所示的砂漏一样开始记录时间了。 例如我们在洞穴里发现了一块木炭，或者在某古建筑物中找到了一段 木头，我们可以测量它的含碳量，测定碳中有多少碳- 1 4 ，然后推算何时这 些碳- 1 4的放射性与现在我们测定的生长着的树木中碳- 1 4的放射性相 等。这一时间也就是这段木头被砍下来以后所经历的时间。换句话说，根 据永久平衡原理，假设我们知道当初存在于生物中的碳- 1 4有多少，则我 们可以计算出任何类似的古代生物死亡的时间。这就是碳- 1 4法测定年龄 的基本原理。 ■ 例如可以拿一块取自古代人居住的悬崖上洞穴中的木头，或一块取自 古代炉火中的木炭残烬，来分析它们中剩余的碳- 1 4的量，就能确定它们 的年龄（可准确到几百年之内）。也就是确定这块木头或木炭的木材被从 活树上砍下或折断的时间，从而可确定用过这些木料的人生活的时期。 印在美国亚利桑那州纳瓦霍峡谷岩石上的恐龙足迹，引起了这位科学 家职业性的兴趣。已绝种的古代动物化石，长期以来就是研究岩石形成年 代的最好线索 →■ ←■ 这位科学家正用液氮凝结从古代物质样品制备的二氧化碳气体。他正 准备用碳- 1 4 法测定该物质的年龄 ■ 2 . 碳- 1 4的计数 测定碳- 1 4的方法是先取已知量的碳，将其转化为气体，然后对气 体中的碳- 1 4的衰变进行计数。看起来这很简单，但事实上测量过程是非 常复杂的，因为在碳中碳- 1 4同位素含量极小，其余大部分的碳是稳定同 位素碳- 1 2 和碳- 1 3 。 制备样品的两种基本方法 （1 ）将碳燃烧（与氧化合）生成二氧化碳； （2 ） 经化学反应， 碳被还原为甲烷、 乙烷或遇水能生成乙炔的碳化物。 第一种方法比较简单，但每个二氧化碳 （C O 2 ） 分子中只含 1 个碳原子， 而每个乙炔（C 2 H 2 ）分子和乙烷（C 2 H 6 ）分子中，都含两个碳原子。所以由 同一样品产生的乙炔和乙烷的比放射性是二氧化碳的两倍，其他方面都一 样。因而某些实验室较喜欢采用乙炔或乙烷。另一方面，由于乙炔、乙烷 是易爆物质，这又使得一些科学家愿意采用二氧化碳。 无论使用那种气体，都是先将气体纯化，然后在瓶子中贮存一个月左 右。贮存能消除所有铀衰变产生的放射性气体产物氧的影响。碳- 1 4发射 的β射线能量很低，很难避免铀的子体产物的干扰，但是氧的半衰期只有 3 ．8 2 5 天，所以 1 个月内氡将衰变到可以忽略不计的程度。贮存之后，将 气体引入低本底正比计数器系统进行测量。 测量计数是个复杂的过程，首先要测定本底计数。仪器的本底计数， 是在仪器中没有放射性样品时单位时间内从仪器上读出的脉冲数 （计数）。 这些计数是由宇宙射线、计数装置附近经常存在的放射性污染，或仪器内 部的沾污所引起的。进行碳- 1 4计数时，所有这些能引起本底计数的来源 都必须减少到微不足道的程度。这点可以通过许多方法做到。 首先，将测量装置用厚度在 1 英尺以上的铅块或铁块围住。这种屏蔽 能挡住所有由实验室放射性沾污产生的γ射线和大部分宇宙射线，但仍挡 不住高能宇宙射线及各种中子。所以在铅屏蔽中还设有反符合环。反符合 环是一个被盖革计数管完全包围起来的圆柱形空间， 环上各计数管彼此相 连，再与中间的样品计数管一起连在反符合记数装置上。因为有这种排 列，当样品计数管与环上任一计数管同时放电时，就表明触发这一脉冲的 是能通过整个装置的某种高能粒子。两种计数管同时记录的脉冲，在记数 装置中自动舍去。在有些仪器中，在反符合环里面，还设有石蜡制的圆柱 体，以使中子慢化到能被俘获的程度。也有人在两层精钢制圆柱体间装上 高纯汞，作为最后一道屏蔽，以进一步屏蔽外来的辐射。 最后，样品计数管是由特别精选的放射性成分特别低的金属管制成 的，中央有一根拉直的细金属丝（在某些最新产品中，将反符合环和样品 计数管组装在一个圆柱形外套中，其间隔一层金属化塑料薄膜）。样品计 数管上有一根细的玻璃进气管与外界相通。 ■ ■ ■ 一种用于测量碳- 1 4 的样品计数管。 中间的瓶装有碳- 1 4 标记的苯和受 到辐射时能闪烁（即产生闪光）的液体混合物。光电倍增管将这闪光转化 为电讯号。 利用放射性碳测定过年龄的物体 ■ 一位埃及妇女的头发，5 0 2 0 2 9 0 年 ■ 包扎以赛亚书的亚麻书，发现于死海，1 9 1 7 2 0 0 年 ■ 秘鲁人的粗麻绳，2 6 3 2 2 0 0 年 ■ 在美国俄亥俄州发现的冰河期前的木材，大于 2 0 0 0 0 年 ■ 在美国俄勒冈州东部岩洞中发现的亚麻草鞋（这是在该洞中发现的 3 0 0 双中的 1 只），9 0 3 5 3 2 5 年 将含碳- 1 4的气体通过进气管引入样品计数管，样品产生的所有计数 由电子仪器记录下来。由样品的净计数率（样品计数率减去本底）可计算 出样品的年龄。样品的计数率越低，样品的年龄越大。能测定的年龄的上 限，决定于净计数的统计误差（即仪器的准确度）。当测量非常古老的样 品时，这种误差能大到使测量结果意义很小，甚至完全没有意义的程度。 3 ．应用碳- 1 4法的成果 现在碳- 1 4法已被非常广泛地用于测定地质年龄。它已成为考古学和 地质学研究大约五万年前事件的主要依据。它也被广泛应用于气候学、生 态学和地理学。很难举出应用这一方法最出色的例子，但用它研究北美早 期居民所取得的结果，曾是一个重要成果。由于应用了碳- 1 4技术，在美 国西部许多地方测定人类定居点的研究才有了可能。这些定居点首次出现 在大约 1 1 5 0 0 年前，显然与跨接亚洲和美洲的陆桥断裂的时间相符合，裂 开的地方现在是白令海峡，曾有一条不冻水路由这一陆桥经现在的阿拉斯 加和加拿大西部延伸到美国，这可能就是首先迁移到美国的追猎猛犸象的 人的航线。这些人制造了特有的燧石制克洛维斯（c l o v i s ）箭头和矛尖。 大约 1 1 0 0 0 年前，克洛维斯人迁居到美国各地，并进入墨西哥。大概 是他们消灭了猛犸象，然后逐渐继承了福尔索姆人文化的特色。福尔索姆 人是猎食美国野牛的，并且很长时间以来被认为是美洲最初的居民。正是 由于使用碳- 1 4技术才可能对这两种文化最终排列出本来的次序克洛 维斯文化在前，并且将它们与主要的自然变迁联系起来，特别是与横越美 洲大陆的冰川的前进和后退联系起来。 ■ 美洲大陆上最早的人用燧石制成的克洛维斯箭头（原大） 四、利用长寿命同位素的年龄测定法 所有其他实用的测定年龄的方案，都是基于使用少数长寿命同位素 的。这些同位素的半衰期与地球的年龄（4 5 亿年）相当接近（表 3 ）。 表 3 常用长寿命同位素 同位素衰变类型衰变产物半衰期 铀- 2 3 88 次 a 衰变①铅- 2 0 64 5 ． 1 亿年 铀- 2 3 8自发裂变两块碎片1 亿亿年② 铀- 2 3 57 次 a 衰变铅- 2 0 77 ． 1 0 亿年 钍- 2 3 26 次 a 衰变铅- 2 0 81 4 1 亿年 铷- 8 7β衰变锶- 8 74 7 0 亿年 钾- 4 0电子俘获氩- 4 01 2 ． 6 亿年 铼- 1 8 7 ③β衰变锇- 1 8 75 0 0 亿年 ①铀是通过一系列过程进行衰变的，在整个衰变过程中总共有 8 次 a 衰变（见附 录）。 ②注意，这一漫长的时间只是对自发裂变率的量度，并不是铀- 2 3 8 的寿命。 ③将铼- 锇法列在虚线之下，是因为这个方法还处于早期实验阶段，并且还没有 确定它的一般用途。 很明显，表 2 中列出的长寿命放射性核素比这里所列的七种真正实际 有用的同位素多得多。某些在理论上可能有用的核素，实际上没有什么用 处，因为它们在自然界中太少了。许多其他的同位素不能被利用，是由于 它们不能满足同位素年龄测定全过程的基本要求，即“完整的砂漏”（即 母体- 子体体系）的原理。 让我们研究一下这些原因 这些方法是基于封闭体系的。在封闭体系中，放射性衰变的子体产物 和母体物质从该体系刚一开始建立就被固定在一起了，其后就没有任何东 西再加进去或移出来。按照我们的比喻说，就是砂漏必须处于理想的工作 状态，即不允许有漏洞或裂纹。 还有一个基本要求开始时砂漏下半部必须是空的。如果开始计时前， 下半部已有几颗砂粒，将使我们得到错误的结果测得的时间间距比实际 时间长。这个要求对我们能使用的体系类型加了严格的限制。 以钾- 4 0 衰变成钙- 4 0 为例，从半衰期的角度看，测量这一过程是完全 合适的，但是子体产物与天然钙的最常见同位素一样，并且钙在自然界中 到处都有。甚至最纯的钾矿物钾盐（氯化钾）中都含有大量钙的杂质， 以致相比之下钾在地质历史中衰变产生的放射成因的子体钙都显得微不 足道了。按我们的比喻，就是钾- 4 0 “砂漏”的下半部开始时已经装进了许 多砂子，以致通过中间细孔落下去的少量砂粒被它们“淹没”了。这就说 明，利用相对稀少的核素衰变成相对常见的核素的过程的方案是不适用 的。无论如何，元素的天然地球化学分离过程，从来都是不理想的。 同样，任何稀土元素衰变成其他稀土元素也没有多大用处 ①，因为稀 土元素的化学性质非常相似，在自然界中它们倾向于一起迁移，什么地方 有母体核素，什么地方紧跟着就出现子体核素。如果想更多地了解这一族 元素，请阅读本丛书的稀土一书。 ① 近年来由于超量测试技术的发展，国外已成功地建立了“钐- 钕法”同位素地质年龄测定技术。校注 1 ．铷- 锶法 铷- 8 7 （8 7R b ）衰变成锶- 8 7 （8 7S r ），大概是测定地质年龄最有用的衰 变类型。这里也存在上面提到的同样问题，但是，至少是渺茫中的一条出 路。这条出路确实也不简单，但考虑这个问题是理解同位素地质年龄测定 法的基础。下图是质谱分析记录的曲线。曲线上的每一个峰代表锶的一种 同位素。每个峰的高度正比于该同位素的相对丰度。A图是含普通锶（这 是几种同位素的混合物）的岩石或矿物的质谱图，其中 8 7 S r 的峰比其他同 位素的峰小。B图是古老的富铷矿物晶体中锶的质谱图，其中各同位素的 峰高是用与 A 图相同的比例尺画的。B 图中 8 7 S r 的峰明显地大于 A 图中普 通锶的 8 7 S r 峰，这是因为该晶体中有从晶体形成之时起一直因铷的衰变而 积累起来的放射成因的 8 7 S r 。 我们必须回答的问题是 这些 8 7 S r 中有多少是由 8 7 R b 衰变而成的最 初在晶体中以杂质存在的有多少如果这种初始锶的量不太大，就可用简 单的算术来解决这个问题 首先，我们必须找到一个普通锶的好样品，即像 A 图所示的那种普通 的锶。我们不能要求这种锶完全未被放射成出的锶所污染，因为所有的锶 都是或多或少地被污染了的。我们需要的只是锶被污染的程度正好相当于 这个封闭体系形成时锶作为杂质混入的程度。在地质样品中，这样的物质 通常是能找到的。 ■ 现在我们把花岗岩块中的云母晶体作为封闭体系。云母含有相当数量 的铷，并且它能很好地保持其放射成因的锶。此外，云母晶体常常与细长 柱状结晶体磷灰石的矿物伴生或共生。磷灰石的成分是磷酸钙。根据地质 学知识可以认为，云母和磷灰石大体上是同时形成的，估计可能来自同一 种液体物质，而后凝固成花岗岩。锶和钙的地球化学性质是相似的，并且 某些锶将进入磷灰石中占据钙的位置。磷灰石不含碱金属元素，所以磷灰 石实际上不会含有能污染 8 7 S r 的铷（铷是一种碱金属元素）。因而，如果 我们在古老的花岗岩中发现有磷灰石，则我们就知道这种磷灰石仍然还含 有在云母晶体最初形成时就已带入的普通锶。 ■ 我们能用通常的矿物学方法从花岗岩中挑选出磷灰石，用化学方法从 磷灰石中提取锶，并用质谱仪分析它，以获得锶的同位素谱存在的每 一种同位素的相对含量。然后我们对从云母中提取的锶进行同样的同位素 分析，然后从锶的总量 （云母中的量） 中减去初始锶的量 （磷灰石中的量） ， 就能得到放射成因组分，即子体产物的数量 （在本书第 3 5 页上有关于这种 方法的详细介绍）。 很明显，每一种同位素分析方法都有一定的误差，因此只有当放射成 因组分比同位素丰度测定误差大很多时，这种计算才有意义。当必须从一 个大数中减去一个大数而得到小的差值时，人们对这个结果能相信到什么 程度是很有限的。用现在最好的质谱仪测量锶同位素丰度的绝对准确度只 有千分之几。实际上，只有当 8 7 S r 中至少有 5 ％是放射成因的锶时，人们 才能相信计算出的样品年龄。当放射成因的锶只有 1 ％或 2 ％时，所得结果 没有多大意义。 ■ 2 ．铀裂变径迹法 当中子轰击铀- 2 3 5 或钚- 2 3 9 原子核时， 它将使原子核分裂成两块大致 相等的碎片，同时放出中子和能量。这就是熟知的中子诱发裂变过程，在 反应堆和核武器中都是通过这一反应过程产生核能的。铀的最常见的同位 素铀- 2 3 8 ，也能通过裂变反应而分裂，但全是自发进行的，不需要任何外 界来的中子。这一过程叫自发裂变，它非常像放射性衰变，也是无规则地 进行的。自发裂变很少发生，所以它的半衰期很长，约为 1亿亿年（1 0 1 6 年）。也就是说，在铀- 2 3 8 中每发生 2 0 0 万次衰变才发生大约一次自发 裂变。因为铀- 2 3 8 几乎在任何地方都存在（见表 3 ），所以这就足够用来 测定年龄了。 设想在某一种矿物中存在一个铀- 2 3 8原子，当这个原子突然裂变时， 它分裂为具有相等能量的两块碎片。这两块裂变产物碎片在相反的方向上 像炮弹一样通过周围的晶体结构向前直冲，沿路引起大量的损伤。最后由 于它们同其他原子碰撞被慢化而停下来，在此之前，它们大约能前进 1 0 微米（约为四百万分之一英寸）的距离。每块碎片通过晶体时，都留下像 遭到严重损伤的管子似的轨迹（叫作裂变径迹）。 在发现晶体中这些裂变径迹之前许多年，人们早就知道这一过程了。 但直到 1 9 6 0年左右，才由美国通用电气研究所的 R . L . 弗莱谢尔、P . B . 普赖斯和 R . M . 沃克等三位年青的物理学家想出了观察裂变径迹的办法。 他们推想因通过裂片而被严重损伤的区域，将比没有受到损伤的周围的 晶体更易被腐蚀，并且会被腐蚀得更深些，所以提出了用酸腐蚀晶体新鲜 断面（叫做蚀刻），以观察裂变径迹的想法。这种想法被证明是正确的， 并且现在几乎在每种常见的矿物中都发现了裂变径迹（因为几乎所有的矿 物中都含有少量的铀）。 ■ 羚羊碎骨化石（产于南非开普省霍普费尔德）中的铀裂变径迹 裂变径迹法年龄测定的具体做法是首先用适当的溶剂对晶体或玻璃 片的解理面或抛光的表面进行蚀刻（不同的酸适用于不同的物质，对每种 物质要专门研究最适宜的做法），蚀刻使裂变径迹显示出来，然后在显微 镜下进行观察（一般为圆锥形的小坑）和计数。 在此之后，将这一样品放到核反应堆中，用已知量的慢中子 ①进行照 射，产生新的裂变，但这时只有铀- 2 3 5 产生裂变 （天然铀中都含有铀- 2 3 5 ， 铀- 2 3 8 与铀- 2 3 5 的原子比为 1 3 7 . 7 ∶1 ），因为慢中子不引起铀- 2 3 8 裂变。 在中子辐照后，对上述同一表面再进行蚀刻，并对新形成的径迹进行计数。 此时从前的径迹由于被蚀刻了两次，变得更大了，所以能与铀- 2 3 5 裂变产 生的新径迹相区别。 已知铀- 2 3 8 裂变速率t，铀- 2 3 8