放射性同位素计年法：探索太阳系历史的重要工具

放射性同位素计年法是探索太阳系历史的一个重要工具，因此，我们应当深入了解它的工作原理以及科学家对其结果如此倚重的原因。

每个原子的中心都存在一个原子核，原子核由两种基本粒子组成，分别为带正电的质子和不带电的中子。原子核周围围绕着若干带负电的电子，电子决定了原子的化学性质。原子整体呈电中性，因此原子核里的电子和质子的数量相等，该数量也被称为原子序数。同一种化学元素可以以多种形式存在，这种形式被称为同位素，同位素指质子数相同而中子数不同的原子。以碳元素为例，碳同位素的原子序数相同，但原子质量不同。因此，只要知道元素的名称和原子质量（整数），就能准确确定任何一种同位素。比如，碳-12指的是原子核中中子和质子总数为12的碳原子。

放射性原子是指具有不稳定原子核的原子。每个不稳定的“母”原子核在某个时候会自发发射出一种粒子或者γ射线，或者同时释放出两者，并衰变成一个“子”原子核。当原子核发射出粒子时，原子会从一种化学元素转变成另一种。我们无法预知单个原子发生衰变的具体时间，但大多数原子的衰变速度是可以预测的，原子的衰变速度只与同位素有关。如果选取大样本的原子研究，就会发现经过一个半衰期后，有近一半的原子发生了衰变；两个半衰期后，有近3/4的原子发生衰变；三个半衰期后，则有近7/8的原子发生衰变，以此类推。

科学家在实验室测量了多种放射性同位素的半衰期，其中有些同位素可用于测定岩石年龄，它们在岩石中扮演着计时器的作用。以熔岩流为例，当它形成新岩石时，矿物处于高温熔融状态，使得原子可以自由移动。当矿物冷却后，原子的位置也随之被固定并不再移动，就算以后衰变成另一种元素，也不会改变位置。因此，如果岩石在形成的时候刚好融入了合适的放射性同位素原子，这块岩石就等于有了一个内置计时器。所谓“合适”的同位素，是指这些同位素的半衰期要长达数百万年，且在岩石里的含量足够多，可以准确测量它的含量。这些原子一旦被“抓住”，岩石的成分就固定了，放射性计时器也就开始计时。

比如，有一块岩石中存在放射性同位素铷-87和一定数量的子体同位素锶-87。假如该岩石在刚形成的时候并没有锶-87，那么只需要测定现在的锶-87含量，就可以计算出该岩石的形成年代。但实际情况往往没有那么简单，因为大多数时候有些岩石在形成时就已经存在锶-87了，而且样本里的铷或锶元素可能有部分已经丢失或被污染。但没关系，我们有办法可以对付这些问题。

第一步是测定母体、子体同位素各自相对于其子产物中一种没有参加放射性衰变的同位素的浓度。比如，可以将铷-87和锶-87分别与锶-86进行比较，因为锶-86的化学性质稳定且没有参与任何衰变过程。第二步是检测同一块岩石样本中各种矿物的含量，不同矿物有不同的晶体结构。在上面的例子中，岩石形成时，有些矿物倾向于结合更多的铷元素，而有些矿物在形成时则含有更多的锶。虽然不同矿物在形成岩石时含有的锶元素的总数不同，但锶-86和锶-87两种同位素的相对比例是一样的，因为矿物形成的化学过程对同种元素的所有同位素都一视同仁。

将每种矿物中铷-87、锶-87相对锶-86的数量制成图进行比较，就可以估算出岩石的形成年代（图4-2）。如果矿物中含有大量铷-87，那它现今就会含有大量的锶-87；如果矿物中不含有铷-87，则它含有的锶-87的初始数量和现今的数量相同。这意味着图上的各点将连成一条直线，这条线就叫作等时线，同一条等时线上的矿物质的年龄相同。等时线的斜率越大，岩石的形成年代越久远。(www.xing528.com)

但这种方法并非适用于所有岩石。如果有些岩石在初次形成后又经历高温加热，内部的原子再次发生自由移动，就会扰乱放射性计时器，岩石内部的各种矿物也不再位于一条等时线上，因此无法可靠地计算岩石的年龄。沉积岩是另一个令人头疼的问题。沉积岩由年代更加久远的岩石剥蚀出的矿物碎屑构成，单种矿物晶体的年代尚可追溯，但要想知道碎屑何时堆积形成沉积岩则困难得多。正因如此，解读放射性同位素计年法的结果时还需结合其他从岩石中提取的线索，另外，挑选样本时也需小心谨慎。

图4-2　等时线示意图。本例中，对同一岩石样本中5种不同矿物里的放射性铷-87和锶-87的含量进行测定并与化学性质稳定的锶-86进行了比较，将结果绘制在一个直角坐标系中便可得到岩石的年龄（如上文所述）。等时线的斜率越大，代表岩石的形成年代越久远

然而，这种放射性同位素计年法只能告诉我们地球上某块岩石的年龄，而非地球本身的年龄。要想知道地球形成的时间，需要取得地球史上最早形成的岩石的样本。但是地球是一颗地质活动活跃的行星，地球上的岩石无时无刻不在经历着毁灭和再生。就算是已探明的最古老的岩石的形成时间也被认为远远晚于地球的形成时间。

20世纪40年代，有三名科学家不约而同地找到了解决方法。他们分别是苏联的E.K.格尔林（E.K.Gerling）、英国地质学家阿瑟·霍姆斯（Arthur Holmes）以及德国核物理学家弗里茨·G.豪特曼斯（Fritz G.Houtermans）。三位科学家都发现铀有两种天然放射性同位素，且两种同位素的衰变产物均为铅。铀-235衰变后变成铅-207，而铀-238衰变后变成铅-206。巧的是，铅还有另一种同位素，即铅-204，它既不会通过放射性衰变生成，也不会衰变成其他同位素。两种铀同位素的半衰期互不相同，这意味着地球上的铅-207和铅-206的相对含量会随时间而改变。只要知道了这两种同位素的初始比例以及它们现今的总含量，就可以计算出地球的年龄，而不管岩石被熔化和重组了多少次。

尽管格尔林、霍姆斯和豪特曼斯三人使用的方法不尽相同，但他们都测定了三种铅的同位素在现代岩石里的总含量，并尝试估计了地球诞生之初三种同位素的初始比例。由于依据的假设不同，霍姆斯和豪特曼斯推算出地球的年龄为30亿年左右，而格尔林给出的答案为40亿年。更加准确的答案需要等到科学家确定铅同位素在地球刚形成时的初始含量后才能确定。