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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