放射性物质的半衰期与元素放射活性的关系

面对开尔文的猛烈炮轰，一名地质学家决定奋起反击。他就是直言不讳的芝加哥地质学教授托马斯·克劳德·钱伯林，他还自创了一套太阳系起源学说（见第3章）。1899年，钱伯林在全世界最负盛名的学术期刊《科学》杂志上发表了一篇火药味十足的檄文，反驳开尔文对地球年龄的估算方法和猜想，这篇文章惊人地预示了物理学后来的发展，他写道：

目前，原子的内部结构究竟如何尚不得而知，不排除它们的结构异常复杂且蕴藏着巨大能量。当然，没有一个严谨的化学家会轻率地告诉你，原子是一种基本的颗粒或者原子内部没有隐藏着更高一级的能量……同样，他也无法胸有成竹地肯定或否定，太阳核心那些不同寻常的反应会不会释放出一部分这种能量。

钱伯林意识到，一场巨大的物理学革命正在萌芽，而且未来将影响深远。1896年，法国物理学家亨利·贝克勒尔（Henri Becquerel）发现铀盐具有放射性。截至1898年，玛丽·居里（Marie Curie）和她的丈夫皮埃尔·居里（Pierre Curie）已发现两种新放射性元素——钋和镭，居里夫人还证明这两种元素的原子可以释放出强电离辐射。很快人们知道，放射性物质在地球内部释放出大量的热，这正是开尔文冷却速度计算法徒劳无功的原因。更重要的是，放射性为估算年代久远的岩石的年龄提供了一种全新且有力的思路，使其他地质测年法相形见绌。

出生于新西兰的物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）和英国化学家弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）于1901—1903年共同进行了一系列实验，他们发现放射性元素可以自发转变成一种新的元素，同时释放出辐射。他们发现了三种不同的辐射类型，并以希腊字母将其命名为α（阿尔法）射线、β（贝塔）射线和γ（伽马）射线。α射线由氦原子核组成；β射线由电子组成；γ射线和X射线一样，都属于电磁辐射的高能形式。卢瑟福和索迪发现，放射性样本的活性与含有放射性原子的数量成正比。这意味着元素的放射活性会在一个特定的时间后下降至一半，这个时间被称为半衰期，而不同放射性元素的半衰期各不相同（图4-1）。

卢瑟福认为，放射性是放射性物质内部的一个天然计时器。他很快想出了利用半衰期长的放射性元素估算岩石年龄的方法。在1904年的一次演讲中，卢瑟福根据两个含有铀元素的岩石样本中氦元素的含量，推算出它们的年龄大约为5亿年，以此证明他的这一观点。岩石中的铀原子衰变后释放出α粒子，α粒子以氦气的形式赋存于岩石中。卢瑟福指出，有一部分氦气很可能已经逃逸出来，因此他所估算的年龄可能比实际年龄要小。(www.xing528.com)

图4-1　放射性同位素的半衰期。一个半衰期后，放射性母体同位素原子数量减半，同时子体同位素原子数量增加

第二年，美国物理学家和化学家伯特伦·博尔特伍德（Bertram Boltwood）发现大部分铀矿石中都存在铅和氦。因此，他推测铅是铀衰变为其他放射性元素后的最终稳定产物。和氦元素不同，铅很难从岩石中逃逸出来，因此利用样本中铅元素的含量估算出的岩石年龄要比氦气更加可靠。于是，博尔特伍德利用从不同地方采集的43种岩石样本做了估算，并于1907年公布了他的研究成果：这些岩石的年龄为4.1亿～22亿年。因此，地球的年龄肯定不会低于这个范围，可能还会更高。

20世纪20—30年代，对岩石的同位素测定让地球年龄的估值不断升高。虽然放射性同位素计年法仍有不足之处，且有很多不确定性，但科学家测得的地球年龄已经不再是以百万年作为单位，而是以十亿年计算。除了少数人给出35亿年的高龄外，大家普遍接受的地球年龄为16亿～20亿年。这些观点多少还受到了天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）一些惊人新发现的影响，哈勃是估算出宇宙年龄的第一人。