放射性元素测年法

放射性元素测年法

4/10/2018

1949年, 美國化学物理家, 威拉德. 利比 (Willard F. Libby, 1908~1980) 發明了所謂放射性碳定法 (Radiometric Dating) , 克服了考古学上長期存在的一個挑戰, 那就是如何準確地断定出土的化石或古生物, 到底至今有多少年代。這成就讓他後來獲得了諾貝爾獎的頭銜。從此打開了放射元素計時法 (Radiometric Dating) 之大門

(一) 什麼是碳-氮 (C14) 测年法

简言之, 這估算年代方法是借着同位素半衰期的原理。比如說, 自然界中碳原子含有幾個同位素(Isotope)。碳同位素就是碳原子核內的質子都是6顆, 但因為受到外界環境的影响, 它的中子數有可能增到7顆, 甚至8顆。一般碳原子的原子量 (6顆質子加6顆中子) 是12, 因此稱為C12。而大自然中含有這極少量的碳同位素稱C13和C14。

例如C14同位素是氮原子 (7顆質子加7顆中子) N14在地球的大氣層中, 被宇宙輻射 (又稱Cosmogenic Nuclide) 激發, 將其中一質子轉变成中子而產生的 (6顆質子加8顆中子)。C14 (Mother Element) 性能不穩定, 經过一段時間, 原子核的中子數又会再度变回質子, 再次轉变成氮原子 N14 (Daughter Element), 發布β射線, 稱之為 Beta Decay , 也叫放射性衰變 (Radioactive Decay)。以碳的半衰期 (Half-life) 來計算, 經过5730年, 原先C14原子有50% 会消失, 再經过5730年, 25%又不見了。

科学家們採用加速質譜儀 (Accelerator Mass Spectrometer, AMS) 來测量自然界C14和C12的比率。因為大膽假設: (1) C12從地球形成開始直到現在都不会改变; (2) 自然界這兩種碳原子存在的比率是固定的, 約每1兆個C12 原子中, 有一個 C14原子。所以, 理論上只要測量受测物兩種碳原子的比率, 便可以估算出受測物存在的年期。

測試法的假設和限制:

(1) C14只能量测有機物

無論是動、植、微生物等, 只有当他们活着的時候会吸收碳, 植物光合作用直接吸取二氧化碳, 植物体內幾乎全都是由碳组成的。動物吃蔬菜,水果, 呼吸...., 故碳原子会存在骨骼裡。因此當他們活著的時候, 保持上述固定碳比率. 他们一死, 就不再有新的碳進入体內, 所以估算年代理論上是從死亡那天算起, 在骨頭或化石中數算 C14的數量。沒生命的東西如岩石, 就無法估算。

(2) 量测準確度有限

以目前的技術而言, 其精確度無法超过5萬年, 太久遠C14含量太低, 会存在不可预期的誤差。

(3) 假設C14/C12的比率一直都是固定不变, 或者起初就已經達到平衡 (Equilibrium)。這方面很值得懷疑, 地球剛形成時, 那種混亂, 高溫大氣稀薄的環境和今天風和日麗, 適合人類居住的環境, 比率絕對是不一樣的。即使在今天，它的比例仍然是不穩定地波動。

(4) 半衰期原則上只是一個概率的統計, 最好的方法是量測上千個樣品, 取他们的平均值。所以使用这種方法, 若取樣不足誤差会很大的!

⑸ 在整個过程之中必須是密閉系統, 無論是C14或者氮N原子都不可和外界相通。

根據進化論學者們提出, 地球歷史45多億年, 在35億年前開始有微生物存在, 29億年開始有多细胞、植物、藻類,  2.5億年前恐龍出現, 6億年前出現其他高等動物, 大約在20萬年前出現智人 (Homo Sapiens)。

首先, 这些時段都已超出上述C14可精確测量的範圍(5萬年), 而且他们的假設这幾十億年後兩碳的比率已達固定不变，是有很大的問題。英文俗語叫 Catch 22, 那就是错誤的假設, 導致錯誤的結論, 而錯誤的結論, 回頭再支持錯誤的假設, 如此下去計算的誤差只有越來越離谱。

一些科学家提出以下幾項反駁的意見:

(1) 地磁因素
由於地球磁場逐年消弱, 數据告訴我们当初宇宙輻射受到地磁的保護, C14量絕對要比今天低許多。

(2) 地温变化因素
地表溫度影响半衰期, 在早期高溫環境之下, C14 更不穩定, 因此存量要比今天少很多。

(3) 洪水因素
大洪水之前, 大地的C12碳含量要比今天高許多, 這是由石化燃料中取得的数据。因此有專家認為不考慮洪水, 测量結果会產生10倍以上的誤差。

因此C14/C12的比率絕对比今天要低許多, 再加上碳定法超过五萬年的準確年限, 和概率誤差, 这些結果只具參考性。

(二) 什麼是鉀~氬 (K40) 测年法

一般而言, 岩石中很少含有放射性元素, 故很不容易使用同位素半衰期的方法直接测量他的年歲。科学家想出一種相对測試法, 那就是在岩層中, 若某一層含有化石, 或者含有放射性元素的火山岩, 就可以先測量那層的年龄, 当作標碼, 以後使用所謂疊加規則 (Rule of Superposition), 那就是, 相对地推算岩層年齡, 越底層越古老。C14可算的時间較短, 也可以使用如鉀~氬测年法, 將可测的時段增長到百萬甚至數百億年。

鉀在地殼中含量頗豐富的, 約占重量2.4%。正常鉀K39原子量39 (19颗質子, 20顆中子) 很穩定。自然界發現鉀有其它3種同位素: K38, K40和K41。其中K40是氬原子(18颗質子, 22颗中子) 受激發轉变而來 (19颗質子, 21颗中子)。自然界中平均每一萬顆K39就会有1.2顆K40。而它的半衰期是125億年!

理論上, 火山噴出的岩漿, 因為温度極高, 故不可能存在氬氣。岩石冷却凝固成為晶体後, 被封在裡頭的K40經億萬年衰变成Ar氣体, 也不会漏掉, 所以量Ar氣体便可以推算出岩石年齡。

問題是這半衰期是是如何算出來的? 利用蓋革探测器 (Geiger-Miller Radiation Detector) 將含同位素K的氯化鉀灌入, 每一顆K40衰退会發出輻射, 探测器接上电腦來累積衰退的數量。因為量底, 只有背景輻射的2-3倍, 因此必須扣除背景輻射。又因為探测器敏感度只有20%, 最後總數还要乘以5倍! 由此看來目前的技術，遠遠沒有達到可用來精確地测度上億年的時間。換句話說, 简直有些荒唐。

利用放射性元素测年的問題不断地發生, 以下是兩個例子:

⑴ 澳洲一处火山岩裡面包裹了一塊木碳, K40測出岩石三千七百萬 (37000000)年。再用C14測木炭, 只有四萬五千 (45000)年!

⑵ 1801年, 夏威夷一個地方火山第一次爆發, 在附近2.7英里深海底產生了一堆火山岩。地質学家在火山岩的頂部、中部和底部各採了樣品, 利用 K40 测量結果各別是: 0年、1200萬年和 2100萬年。

總之, 地球到底有多老? 我絕不会相信進化論的推算。1997年有8位地質物理博士, 组成RATE (Radioisotopes and Age of the Earth) 团隊, 花了8年時間研究, 結論是放射性测年法存有很大的誤差, 地球的年齡應該是很年輕的!