2017年4月9日 星期日

科學＿鉛的故事(1/2)：從鈾鉛比率測出地球年齡

地球究竟幾歲呢？
在現代科學還沒萌芽之前，是宗教來解答。
1650年，愛爾蘭主教Ussher(註１)根據舊約聖經記載及曆法考證，
在＜列王記下＞記載，巴比倫王尼布甲撒二世死於公元前562年，
Ussher將舊約中，亞當王到巴比倫王這一個時期，
139系譜的先知和祖先的後代相加，
得出世界(地球)創造於公元前4004年10月22日星期六晚上六點整，
西方世界就以Ussher的話為絕對真理。
直到百年之後蘇格蘭人赫頓(James Hutton)，
依地質觀察提出挑戰(註２)，人們對其正確性開始鬆動。


美國大峽谷是一處可以觀察典型沉積岩層的地點，
從當中埋藏的(前寒武紀)遠古生物藍綠菌獲知，這裡曾為海洋。
自那時起，土石細粒於此沉澱聚積。
經過數十億年層層累積，在重量的壓縮下，形成今日所見的岩石，
而最古老的部分則會在底部(註３)。

怎樣從這裡知道地球年齡呢？
地質就好像樹的年輪，算出每個沉積層形成的時間，累加即是答案。
然而，這種現象也普遍出現在世界各地的湖泊、海洋，
每個地方累積的速度分歧極大，
例如本來每一千年會累積三十釐米的厚度，
如果遇到難得一見的大洪水，沉積速度會加快，幾天內就三十釐米，
所以，地質學家計算出的值，從300萬年到150億年都有，莫衷一是。
除此外，還有一個問題，現存的最底層並非地球最古老的岩層，為什麼？
因為岩石無法倖存於地球誕生之初的(高溫)惡劣環境。
不過，太陽系漂浮的"小"行星，就另當別論。


大約在一百萬年前，恰巧一較小行星碰到一小行星，偏離軌道，
在五萬年前殞落在現在美國，撞出現在名聞遐邇的亞利桑那隕石坑，
當時的鐵隕石碎片被完整保留下來。
假如我們知道鐵隕石的行成時間，就能知道包含地球在內，太陽系的年齡。

20世紀有個偉大的發現，
在幾十年裡，測量每種放射性元素轉變成另一種元素所用的時間，
物理學家發現每個不穩定元素的原子，衰變比率是恆定的，
就是說無論周圍環境的改變(敲打、油炸、汽化)，這個衰變比率都不會改變。

註４

如鈾原子(半)衰變成釷原子，平均要花幾十億時間，
釷不穩定，不到一個月衰變成鏷，一分鐘後又變成其他物質，
經過十幾次核嬗變，直到抵達衰變鏈的末端－穩定的鉛元素，鉛將維持恆久不變的狀態。
所以，要了解我們的地球母親的年齡，沒有比測量鈾和鉛比率的更好方法了(註５)。


芝加哥大學地質學家哈里森．布朗(Harrison Brown)1947年最早領悟這一點。(註６)
他讓他的研究生克萊爾.帕特森負責這項任務。
克萊爾.帕特森原本不是地質學家，但因熟悉質譜儀，能分析鉛含量而被委以此任。
然而，他七年才找到答案完成這個課題，拿到他的博士學位。

為什麼耗費那麼長時間？
是因為帕特森對(從隕石而來)鋯石鉛含量做等精度測量時候發現，
相同微粒的鉛含量的結果數值，每次都偏差很大。
帕特森窮盡腦汁，最後發現，影響實驗結果的最重要因素，
可能是實驗室或者空氣裡存在鉛（那個時候可是沒過濾設備的），
鋯石裡只有幾百萬個鈾原子，空氣裡的鉛數量遠遠大於這個數值，
在這種和空氣和環境直接接觸樣本的情況下，顯然是沒辦法測量出正確的結果的。

帕特森隨後變成了一個清潔工，拖地擦洗，反覆打掃他破舊的實驗室，
盡量讓他的實驗室變得無鉛，可是結果依然偏差百倍。
帕特森接著想到他必須用酸來煮容器和工具，
並提純化學原料，進一步降低實驗室中的鉛含量。
然而，終不免屢屢受破壞打斷，
譬如有人打開他實驗室的門，問廁所在哪裡，數月實驗便毀於一旦。


帕特森開始計畫設計一種全新的實驗室－超級潔淨室(無塵室)，
直到他的老師哈里森調任加州理工，邀請帕特森一同去後，
在他做這項研究的第七年，帕特森終於完成這個心願，
建立史上第一間無塵室，隔絕外界鉛汙染。
並在1956年準確測出鋯石鉛含量，得鈾鉛比，運算出地球年紀約為45.5±0.7億年(註７)。


獲此成功，除了得力於無塵室，也受惠前輩被的科學成就，
(在動畫中)帕特森在完成實驗時，
他對地質學家查爾斯- 萊爾、發現電磁效應的邁克爾- 法拉第、
發現電子的JJ- 湯姆森；核物理之父歐內斯特- 盧瑟福、
以及研究如何分開環和鈾，他的博士生教授－哈里森- 布朗等人特別由衷感謝。

到這，雖然說已經掌握測定鉛含量這項技術，總歸是大功告成，
然而，這卻招來後來的福與禍。


註５：出處同上。鈾的衰變率是恆定，但沒說十幾億是怎麼算出來的。

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