地球的年龄大约45亿年,那这是怎么得出来的呢?
其实,很早之前人们就相信地球存在一个起源时间,但究竟是多少,一直没有人弄得清楚。19世纪,开尔文通过热力学方式估算了地球的寿命,由于当时没有考虑到地球内部的放射性物质衰变所释放的热量,他当时估算出的地球寿命最多才4亿年。
1896年贝克勒尔发现铀矿具有放射性,此后居里夫妇又发现了放射性元素镭和钋,并对原子核的放射性现象进行了深入的研究。放射性就是一种不稳定的原子核通过放射出某种射线(阿尔法射线、贝塔射线、伽马射线等)而衰变成稳定的原子核的一种现象,原子序数(质子数)大于或等于83的元素都具有放射性。此后,科学家们又陆陆续续发现了很多放射性核素。核素就是具有一定质子数和中子数的一类原子,一种元素通常包含好几种核素,这几种核素之间互为同位素。比如氢元素就包含氕、氘、氚三种核素,它们之间质子数相同,中子数不同,即原子质量不同。统计数据表明,宇宙中存在100多种元素,大约包含2600多种核素,其中约有2300种核素都具有放射性,稳定核素只有280余种。
上图为部分放射性核素的半衰期。
放射性的发现为人类精确测量地球的年龄奠定了基础。科学家们发现,放射性核素的半衰期很稳定,一般不会受到周围环境(比如压力或者温度等)的影响。不同放射性核素的半衰期不同,有的短至数秒,有的长达几十亿年。不同核素在宇宙中的丰度不一样,我们只需要测出岩石中放射性核素的衰变情况,通过分析样本中不同核素的相对含量,就可以估算出该岩石的形成年龄。如果我们能找到地球诞生之初形成的岩石,那么我们就能测出地球的年龄。虽然在地球表面已经很难找到古老的岩石,不过由于太阳系内的小行星和地球都诞生于同一片星云,我们可以测量坠落到地球表面的小行星陨石的年龄,这同样可以估算出地球的年龄。
根据被测物的不同,需要使用不同的放射性测年方法。在考古学中,最常见的是碳14测年法,主要适用于测量距今5万年之内的有机物。在地质学中,铀铅测年法是最常用的测年方法之一,这种方法所能测量的时间范围大约在100万~45亿年之间。1956年,美国地质学家克莱尔·帕特森通过改进后的铀铅测年法(这种改进后的方法也被称之为铅铅测年法)测量了美国亚利桑那州代亚布罗峡谷陨石中铅的同位素的含量,得出地球的年龄为45.5亿年。而目前最精确的地球年龄为45.4亿年。