地球/3d. 放射性年代測定：利用化学来測定时间
同位素的放射性衰变和激发电子能态的使用已经主导了我们如何测量时间，从你手腕上的手表和电脑中的石英晶体，到太空中卫星上的原子钟。测量放射性同位素和电子能态是我们现代生活中测量时间的主要方式。它也使科学家能够确定几千年前古抄本的年代，以及揭示地球本身 46 亿年的历史。同位素的放射性衰变彻底改变了我们测量时间的的方式，从毫秒到数十亿年，但这一切是如何实现的呢？
首先，想象一个装满沙子的沙漏，沙子从两个由狭窄管道连接的玻璃球体中落下。当翻转过来时，沙漏上部的沙子会落到沙漏底部。这种沙子下落的速率是线性的，这意味着只有靠近玻璃球体之间开口的沙子会落下。随着时间的推移，沙漏上部和下部的沙子比例会发生变化，因此在 1 小时后，所有的沙子都会落到底部。请注意，沙漏不能用来测量年，也不能用来测量毫秒，因为在测量年的情况下，所有的沙子都会落下，而在测量毫秒的情况下，在如此短的时间内，不会有足够的沙子落下。这种比例是通过确定沙漏上部的沙子量和沙漏下部的沙子量来测量的。在处理放射性衰变的化学中，我们将上部的沙子称为母元素，将下部的沙子称为衰变的子元素。
放射性衰变不像沙漏那样工作，因为每个原子都有相同的衰变概率，而在沙漏中，只有靠近开口的沙子会落下。所以，比沙漏更好的比喻是爆米花，特别是微波爆米花。一袋爆米花会有一个玉米粒与爆米花的比例，袋子在微波炉中放的时间越长，袋子里爆米花就越多。你可以通过测量玉米粒与爆米花的比例来确定袋子煮了多长时间。如果袋子大部分还是玉米粒，那就说明袋子煮的时间不够长，而如果袋子大部分是爆米花，那就说明袋子煮的时间更长。
一半玉米粒爆开的点被称为半衰期。半衰期是指一半母原子衰变成子原子所需的时间。在 1 个半衰期后，母元素与子元素的比例为 0.5，在 2 个半衰期后，母元素与子元素的比例为 0.25，在 3 个半衰期后，比例为 0.125，以此类推。每个半衰期，母原子数量减半。在一袋爆米花中，如果半衰期为 2 分钟，你将有一半未爆开的玉米粒和一半爆米花，在 4 分钟后，比例将变为 25% 的玉米粒和 75% 的爆米花，在 6 分钟后，只有 12.5% 的玉米粒会保留下来。每 2 分钟，玉米粒的数量将减少一半。
你可以把袋子放在微波炉中更长的时间，但玉米粒的数量只会每增加一分钟减少一半，并且可能会把爆米花烧焦，留下一些玉米粒未爆开。放射性定年法的工作原理相同。
在对地球物质进行年代測定时，首先要考虑的是你实际测定的究竟是什么。有四个基本时刻决定了测量地球物质年龄的时钟开始。
- 从液体到固体的相变，例如液体熔岩或岩浆冷却成固体岩石或晶体的时刻。
- 生物体的死亡，即生物体（植物或动物）停止从大气或食物来源中吸收新的碳原子的时刻。
- 文物或岩石的埋藏，以及它在地下停留的时间。
- 文物或岩石的出土，即它暴露在阳光下的时间。
碳有两种稳定的同位素（碳-12和碳-13），以及一种放射性同位素（碳-14），一种具有 6 个质子和 8 个中子的放射性碳。碳-14 会衰变，而碳-12 和碳-13 稳定且不会衰变。碳-14 衰变为氮-14 会失去一个质子。对于任何碳-14 样本，一半的原子将在 5,730 年内衰变为氮-14。这就是半衰期，即样本中一半的原子衰变的时间。这意味着碳-14 测年法非常适合测定 500 到 25,000 年左右的材料的年代。
放射性碳测年法最早是在 1940 年代开发的，由 威拉德·利比 开创，他曾在二战期间参与曼哈顿计划，研制原子弹。战后，利比在芝加哥大学从事碳放射性测年法研究，并因此在 1960 年获得了 诺贝尔化学奖。放射性碳测年法已经有很长的历史了！
放射性碳测年法测量的是生物体死亡至今的时间，即生物体（植物或动物）停止从大气或食物来源中吸收新的碳原子的时刻。它只能用于测定含有碳的有机材料的年代，例如木材、植物、未石化的骨骼、火堆中的木炭以及其他源于有机材料的物质。由于碳-14 的半衰期为 5,730 年，因此这种方法非常适合测定仅有几百年或几千年的材料的年代，其上限约为 100,000 年。放射性碳测年法主要用于考古学，尤其是在测定全新世时期（或过去 11,650 年）的材料年代。第一步是收集一小块要测年的有机材料，并小心避免用有机材料（如你手上的油脂）污染样品。样品通常用铝箔包裹以防止污染。在 1980 年代之前放射性测年的早期，实验室会计算样本中的衰变次数，测量放射性，放射性越强，材料越年轻。然而，在 1980 年代，出现了一类新型质谱仪，可以对这些样本中的原子原子质量进行直接测量。这些步骤虽然复杂，但可以得到更精确的年龄估计。这些步骤包括确定碳-14 的含量以及两种稳定的碳同位素碳-13 和碳-12 的含量。由于含量将取决于材料的含量，科学家们会观察碳-14 与碳-12 的比例，以及碳-13 与碳-12 的比例。碳-14 与碳-12 的比例越高，材料就越年轻，而碳-13 与碳-12 的比例则用于确保第一次测量中碳-12 的含量没有过高，并在必要时进行修正。
需要克服的一个技术难题是，传统的 质谱仪 只测量原子的原子质量，而碳-14 的原子质量与氮-14 相同。氮-14 是大气中的一种非常常见的成分，也是我们周围空气的成分。这对实验室来说是一个问题。在 1980 年代，一种叫做 加速器质谱法 的新方法应运而生，它解决了这个问题。
该过程的第一步是将你的样品放入一个特殊的炉子中，在纯氧气流中燃烧碳，或者让有机碳与氧化铜反应，这两种方法都会产生 二氧化碳 气体。二氧化碳气体（通常经过低温净化）与氢气在 550 到 650 摄氏度的温度下在钴催化剂的作用下反应，从样品中产生纯碳粉末石墨和水。石墨被放置在真空中，以防止空气中的氮-14 污染。然后用超纯氩气对真空石墨粉进行吹扫，以去除任何残留的氮-14，这些氮-14 会破坏任何测量结果。将这种石墨或纯碳电离，在碳上添加电子，使其带负电。任何残留的氮-14 在此过程中都不会带负电，因为它有一个额外的带正电的质子。加速器质谱仪将带负电的原子旋转起来，以光束的形式高速穿过机器。该光束将包含碳-14，但也包含与 2 个氢原子结合的碳-12 离子，以及与 1 个氢原子结合的碳-13 离子，它们都具有 14 的原子质量。为了去除这些与氢原子结合的碳原子，将原子质量为 14 的分子和原子光束穿过一个剥离器，剥离氢键，然后穿过第二个磁体，使碳-12、碳-13 和碳-14 的原子质量在检测器上扩散，分别对应每个质量。计算碳-14/碳-12 的比率，以及碳-13/碳-12 的比率，并与实验室标准进行比较。碳-13/碳-12 的比率用于校正实验室中碳-14/碳-12 的比率，并查看样本中是否存在过量的碳-12，这是由于分馏造成的。为了找到实际的年龄（以年为单位），我们需要找到生物体死亡时存在的初始碳-14 含量。
现在，碳-14 是在大气中由空气中的氮-14 自然产生的。在平流层中，这些氮-14 原子被来自太阳的宇宙射线撞击，宇宙射线用热中子轰击氮-14，产生碳-14 和一个额外的质子，或者说是一个氢原子。这个过程取决于地球磁场和太阳能，它们在每个半球的变化略有不同，当出现太阳异常现象（如太阳耀斑）时，也会发生变化。利用树木年轮中的 14-碳/12-碳比率，我们知道每个年轮的年份，因此可以将 14-碳/12-碳比率校准为过去 10,000 年的绝对年数。
用这种方法测定的材料年龄有两种表达方式：一种是应用这些校正，称为放射性碳日历年龄；另一种是只根据比率确定原始日期，称为碳-14 测年。放射性碳日历年龄比简单的碳-14 测年结果更精确，尤其是在年代较久远的材料中。
关于确定过去百年材料的初始 14-碳/12-碳比率，有一个令人着迷的事实。由于 1940 年代和 1950 年代的原子武器爆炸，二战后大气中的 14-碳含量急剧增加，这一点从树木年轮数据和大气中二氧化碳的碳同位素测量结果中可以看出来。
这一事实被研究脑细胞的神经学家所利用，并导致了医学发现，即出生后不会形成新的脑细胞，因为出生于 1940 年代之前的人在老年时脑细胞中的 14-碳含量低于出生于核时代之后的人的脑细胞，而出生于核时代之后的人的脑细胞中的 14-碳含量要高得多。然而，在过去的几十年里，神经科学家发现大脑中有两个区域，即嗅球（产生嗅觉的地方）和海马体（储存记忆的地方），它们在人的一生中会不断生长新的神经元细胞，但你大脑中的大部分细胞在你的整个生命中都是相同的。
放射性碳测年法非常有效，但就像一个秒表，它无法测定比 100,000 年更久远的年代。对于恐龙和更古老的化石，或岩石本身，下一种方法更为广泛使用。
钾氩 (K-Ar) 测年法
[edit | edit source]钾氩测年法是测量数百万年前的材料年龄的一种好方法，但如果你想测量仅有几千年的材料，这种方法就不太好，因为它具有很长的半衰期。
钾氩测年法测量的是物质从液体到固体发生相变的时间，例如液态熔岩或岩浆冷却成固态岩石或晶体的时刻。它还要求物质在晶格结构中含有钾。这种方法最常采样的矿物是 黑云母、白云母 以及钾 长石 类矿物，如 正长石。这些矿物在火山岩和火山灰层中很常见，因此这种方法非常适合测量火山喷发的时间。
如果在化石附近或化石中发现含有这些矿物的火山灰，通常可以找到化石的精确年代，或者可以找到年代范围，具体取决于火山灰层在化石中发现的地层位置。钾-40 是放射性的，但它具有非常长的半衰期，为 12.6 亿年，因此非常适合确定以百万年为单位的大部分地质时间范围内的年代。钾-40 衰变为氩-40 和钙-40，其中氩-40 是一种气体，而钙-40 是一种固体，而且非常常见，因此我们要关注晶体中捕获的氩-40 的含量，并将它与晶体中包含的钾-40 的含量（两者都很稀有）进行比较。
这需要两个步骤，首先要确定晶体中含有多少钾-40，其次要确定晶体中捕获了多少氩-40气体。钾-氩测年法的一个奇妙之处在于，可以假设晶体中初始的氩-40含量为 0，因为它是气体。当晶体是液体并冷却成固体时，氩-40并不存在。晶体中发现的唯一氩-40将是由钾-40的放射性衰变形成，并在此时被捕获在固体晶体中。钾-氩测年法的一个问题是，必须使用两种不同的实验室方法来测量钾-40和氩-40的含量，并且要在同一个晶体中进行，并且在进行这两个独立的测试时不会破坏晶体。理想情况下，我们希望在一个分析中对晶体上的同一个位置进行两种测量。虽然钾-氩测年法诞生于 20 世纪 50 年代，但与另一种更容易且更精确的方法相比，它的使用频率已经下降，这种方法只需要进行一次测试。
这种方法使用钾-氩测年技术，但它使对晶粒上的单个点进行单个实验室分析成为可能，使其比传统的钾-氩测年方法精确得多。它的工作原理是，分离含有钾的晶体，并在显微镜下进行研究，确保它没有任何裂缝或断裂。所选的晶体被置于中子照射中，这将使任何钾-39同位素转化为氩-39同位素，这是一种将被捕获在晶体中的气体（这类似于太阳对氮-14所做的，将其转化为碳-14）。这些氩-39同位素将与晶体中任何放射成因的氩-40同位素结合在一起，成为被捕获的气体，因此我们只需要测量氩-39与氩-40的比例即可。
氩-39的数量将决定晶体中大约有多少钾。在经过中子照射后，样本晶体将被激光照射，这将释放晶体中捕获的两种氩气。这种气体被真空吸入质谱仪中，以测量 40 和 39 的原子质量。请注意，氩-39 是放射性的，并且以 269 年的半衰期衰变，因此测量的任何氩-39 都是由实验室进行的照射产生的。通常，这种方法需要大块、无裂缝且保存完好的晶体才能获得良好的结果。晶体的边缘和晶体内裂缝附近可能导致一些氩-40 气体泄漏，并导致过年轻的年代。钾-氩测年法和氩-氩测年法都倾向于给出最小年龄，因此，如果样本在一个百万年的误差范围内给出 3000 万年，那么实际年龄更有可能是 3100 万年，而不是 2900 万年。通常，钾-氩和氩-氩年代比其他证据表明的年代更年轻，并且可能是在某些氩-40 气体泄漏的裂缝晶体中确定的。研究通常会显示出采样的晶体以及激光照射的位置，以及从晶体中每个点计算出的年代。最大年龄通常出现在晶体中心附近，远离晶体中的任何边缘或裂缝。通常，这将使用同一块岩石中的多个晶体进行，以获得良好的范围，并取最佳的最大年龄结果。虽然钾-氩和氩-氩测年法被广泛使用，但它确实需要保存完好的晶体，例如黑云母等易碎矿物颗粒，这意味着岩石越古老，找到良好晶体的可能性就越低。它也不适用于沉积岩中的搬运火山灰层，因为晶体在搬运过程中会受到破坏。地质学家渴望使用其他矿物，更坚固的矿物，可以存在数十亿年，同时保留放射性衰变的化学性质，满足这些要求的矿物是锆石。
锆石是一种坚韧而坚固的矿物，存在于许多火成岩和变质岩中，由硅酸锆 (ZrSiO4) 组成，形成小的钻石状晶体。由于这些晶体相当坚固并且可以承受搬运，因此也存在于许多砂岩中。这些沉积岩中的搬运锆石被称为碎屑锆石。对于大多数锆石测年，您正在测量从液体到固体的相变时间，即岩浆冷却成固体锆石晶体的时间。
锆石裂变径迹测年法更准确地测量的是晶体冷却到 230 到 250 °C 的时间，这被称为退火温度。在 900 °C 到 250 °C 之间，锆石有点像软糖。锆石裂变测年法测定的是晶体变硬的较低温度，而另一种方法测定的是晶体变固体的较高温度。锆石由锆原子与硅酸盐（二氧化硅和氧四面体）的晶格构成，锆在晶体中经常被大小和键合性质相似的原子取代，包括一些稀土元素，但我们感兴趣的是锆石晶体含有微量的铀和钍。铀和钍是元素周期表上两个最大的天然存在的原子。铀有 92 个质子，而钍有 90 个质子。这两种元素都是放射性的，并且衰变，具有很长的半衰期。这些铀和钍原子就像晶体内部的小炸弹，当其中一个高原子质量原子衰变时，它会引发一系列原子衰变的长链反应，其裂变会对晶体的内部结构造成损害。
锆石晶体越老，它表现出的损伤就越多。裂变径迹测年法是作为对钾-氩和氩-氩测年法的独立测试而开发的，因为它不需要昂贵的质谱仪，而只需要在强大的显微镜下观察晶体并测量由铀和钍的放射性衰变引起的损伤。锆石裂变径迹测年法也用于确定岩石的热历史，因为它们在向上穿过地热梯度时，记录了冷却到 250°C 所需的时间。
铀-铅测年法是测定岩石年龄最常用的方法，用于确定地球、陨石的年龄，甚至来自月球和火星的岩石的年龄。它已成为放射性测年的标准方法，因为新技术的出现使这种方法变得容易得多。在 20 世纪 50 年代和 60 年代，地质学家渴望找到一种方法，利用锆石内部的铀和铅来获得一个具体的年代，比基于裂变径迹测年法的估计更精确，裂变径迹测年法在某种程度上是主观的。问题是，所有这些放射性的小原子弹在数百万年中对锆石晶体造成的损害，也导致了子产物的损失，这些子产物将在这些衰变事件中逸出，例如氡气。铀两种最常见同位素（铀-235 和铀-238）的衰变是一个复杂的事件链，在此过程中，放射性气体氡被产生为其中一步。如果晶体存在裂缝或断裂，氡气就会从晶体中逸出，导致比率过低，得到过年轻的年代。如果氡气仍然保留在晶体中，它会衰变回固体，最终以铅的形式存在。铅最初并不存在于锆石晶体中，铅只存在于铀同位素衰变的锆石中，从而允许放射性测年。
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在 20 世纪 40 年代和 50 年代，一位名叫克莱尔·卡梅伦·帕特森 的年轻科学家试图通过测定锆石和陨石的年龄来确定地球的年龄。他不是研究锆石，而是试图测定陨石的年龄，陨石中含有稳定的铅-204 同位素，并使用了一种名为铅-铅测年的铀-铅测年法。克莱尔·帕特森使用了一个等时线，该等时线通过绘制铅-206 和铅-207（由铀和钍的衰变产生的铅）与稳定的铅-204（一种不是由铀和钍的放射性衰变产生的同位素）的比率，以图形方式比较了这些比率，得到的斜率将表明样本的年龄，这条线被称为等时线，意味着相同的年龄。使用从亚利桑那州的峡谷魔鬼陨石中回收的铅同位素，帕特森在 1956 年计算出地球的年龄在 45 亿年到 46 亿年之间。
为了获得这些铅的比率，克莱尔·帕特森开发了第一个化学洁净室，因为他很快发现周围环境中存在大量的铅污染，这些污染可以追溯到 20 世纪 40 年代和 50 年代汽油、油漆和自来水管中广泛使用铅。帕特森在他后来的生活中大部分时间都致力于与企业游说团体和政客斗争，以颁布法律禁止在诸如燃料和油漆等家用产品中使用铅。1956 年也是一位名叫乔治·韦瑟里尔 的杰出科学家解决铀-铅问题的年份，他发表了一种解决方案，称为共线图，有时也称为韦瑟里尔图，它允许对锆石进行直接测年。这些锆石中存在两种类型的铀同位素：铀-238（最常见），它衰变为铅-206，铀-235（第二常见），它衰变为铅-207（具有不同的半衰期）。
如果您可以测量一系列锆石晶体中的这两个比率，并在图形上比较这些比率，那么您可以计算锆石的真实比率，就好像它们没有损失任何子产物一样。使用这组比率，您可以确定这两个比率将在给定年龄时交叉的位置，因此它们将在哪里彼此一致。这是一个巧妙的解决方案，解决了子产物从锆石晶体中逸出的问题。如今，地质学家可以分析单个锆石晶体上的特定点，因此可以选择晶体上子产物泄漏最少的最佳位置。使用协和图可以对这些结果比率进行校正。
铀铅测年需要您确定两个比率：铀 238 与铅 206 的比率，以及铀 235 与铅 207 的比率。铀 238 与铅 206 的半衰期为 44.6 亿年，而铀 235 与铅 207 的半衰期为 7.04 亿年，这使得它们非常适合百万年和十亿年的时间尺度。为了对锆石进行铀铅测年，将岩石样品研磨，并使用重液分离法提取锆石。这些锆石在显微镜下进行分析。在沉积岩中发现的锆石将得出锆石最初从岩浆中形成的年龄，而不是它在沉积层或层中重新沉积的年龄。在沉积岩中发现的锆石被称为碎屑锆石，将产生最大年龄；例如，一个 8000 万年的碎屑锆石，可以在 5000 万年前沉积的沉积岩中找到，而 3000 万年的差异是锆石从火成岩中剥蚀和侵蚀的时间，并被运送到沉积岩中。一个 5000 万年的锆石 *不会* 在实际上是 8000 万年的沉积岩中找到，因此碎屑锆石只会告诉您岩石的年龄比锆石的年龄年轻。
沉积或形成在含有新鲜锆石的火成岩或火山灰层中的锆石可以产生非常可靠的年代，特别是在结晶和沉积之间的时间最短时。
铀铅测年的第一步是找到并分离岩石中的锆石晶体，通常是通过研磨岩石并使用重液分离锆石晶体。然后在显微镜下研究锆石，以确定它们的新鲜程度。如果在沉积岩中发现了锆石，它们很可能是碎屑的，并且在晶体中观察到的损伤将告诉您它们的新鲜程度。碎屑锆石在研究中被测年以确定沉积地质学家沉积物颗粒的来源，但是，它们通常缺乏精确年代的解析度，除非锆石晶体沉积在火山灰中，并且没有被侵蚀和运输。一旦选择了锆石，它们就会使用激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（缩写为 LA-ICP-MS）进行分析，该方法用激光照射晶体，烧蚀的物质在极热温度下被吸入和电离到质谱仪中，并产生等离子体，该等离子体以高速将原子沿管子传递，测量沿等离子体管长度散射的所得原子的原子质量。LA-ICP-MS 测量较大的原子质量原子，例如铅和铀。LA-ICP-MS 不需要太多的实验室准备，并且可以快速分析锆石，从而形成大量的锆石分布样本，从而得出非常精确的年代。锆石铀铅测年是当今地质文献中最常见的测年类型，甚至超过了广泛使用的氩氩测年技术。它也是更实惠的测年方法之一，需要更少的样品实验室准备。
使用电子能态进行测年
[edit | edit source]您会注意到这些测年方法中的一点是，它们要么用于测年少于 100,000 年的有机物，要么测年 100 万到 50 亿年前的火山或火成矿物。
这使得我们无法使用这些方法对许多材料进行测年，包括直接测年超过 100,000 年的化石，以及沉积岩，因为碎屑锆石只会给出它们变成固体晶体的年代，而不是它们所在沉积岩的年龄。同样，使用这些方法，我们无法确定石器或陶器文物、景观上的冰川地貌的年龄，或者直接测定化石骨骼的年龄。
一个众所周知难以测年的地方是含有早期人类物种的洞穴沉积物，这些沉积物通常比放射性碳测年的极限更古老。这个问题在围绕弗洛勒斯人发现的争议性年龄中得到了体现，该物种是一种体型非常小的早期人类，于 2003 年在印度尼西亚弗洛勒斯岛上的一个洞穴中被发现。体质人类学家认为，该物种在形态上与直立人相似，直立人从 149 万年前到大约 50 万年前生活在印度尼西亚。 直立人是第一个从非洲迁徙出去的早期人类，在印度尼西亚发现的化石是其中一些最古老的化石，这是根据钾氩测年和锆石裂变径迹测年确定的。然而，从发现这种体型微小的弗洛勒斯人物种的洞穴中进行的放射性碳测年结果远远低于预期，得出的放射性碳年代为 18,700 年和 17,400 年，这很古老，但并不像人类学家认为的那样古老，如果该物种与直立人密切相关。研究人员决定进行第二次分析，他们转向发光测年。
发光（光激发和热激发）
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有两种类型的发光测年，光激发和热激发。它们测量沉积物或材料上次暴露在阳光（光激发）或热量（热激发）下的时间。发光测年在 20 世纪 50 年代和 60 年代发展起来，最初作为一种方法来测年陶器的制作时间。其理念是，在陶器窑中将粘土烧制以硬化陶器时，陶器中的石英晶体会受到强烈的热量和能量的影响，这种能量的残余物在陶器冷却后会缓慢地衰减。20 世纪 40 年代初期的早期实验对加热晶体并观察晶体暴露于热量或光照后发射的光照进行观察，表明材料会发生荧光（自发发光）和磷光，作为材料在暴露于初始光照或热量后更长时间内发出光照的延迟。
如果您曾经玩过夜光物体，您可以在将物体暴露在光照下，然后关闭光照时看到这一点，物体在很长一段时间内会发光，直到它衰减到您再也无法看到它为止。这种现象被称为磷光。众所周知，靠近放射性物质的材料也会发出自发荧光和磷光，这将持续存在，因此它不需要加热或处于光照中，放射性粒子也可以激发材料发光。
造成这种发光的原因是，通过用强烈的热量或暴露在阳光（光子）甚至放射性中激发原子中的电子，电子在能级中上升，但是这些电子很快在能级中下降，并在这样做时发出光子，作为物体冷却或从光照中移除时观察到的光照。在某些材料中，这些电子会卡在这些较高的能级上，并缓慢地自发地回到较低的能级，时间更长。当电子从激发态下降时，它们会发射光子，延长材料的发光时间，也许是数千年。
科学家们想要测量古代陶器中剩余的俘获电子。观察到的发光越暗，陶器就越古老。早期的实验取得了成功，后来这种工具扩展到暴露在阳光下而不是热量下的材料。它的工作原理是确定两件事，第一是辐射剂量率，因为它会告诉您晶体随时间吸收了多少辐射。这通常是通过测量样品及其周围环境中放射性元素的含量来完成的。第二件事是测量总吸收辐射量，这可以通过将材料暴露在光照或热量下并测量材料发射的光子数量来完成。使用这两个测量值，您可以计算出材料上次暴露于初始热量或光照时的年龄。发光测年有三种类型。
第一种是 TL（或热发光测年），使用热量来测量材料发出的光子数量。第二种是红外激发或 IRSL，第三种是光激发或 OSL，这两种方法都指的是在实验室中通过用红外光或可见光激发光子来测量光子。该技术效果很好，但是材料的暗淡程度存在一个限制，才能为您提供有用的信息，因此它非常适合 100 到 350,000 年的材料，类似于放射性碳测年范围，但可以对不同的材料进行，例如陶器、石器文物以及埋藏建筑物和石头的表面。
除了确定弗洛勒斯人的放射性碳年龄外，研究人员还使用发光测年并发现 TL 最大日期为 38,000 年，IRSL 最小日期为 14,000 年，表明在洞穴中发现的骨骼的 18,000 年的日期是正确的。这些年龄是这些沉积物上次暴露在阳光下的时间，而不是它们实际沉积在洞穴中当前位置的时间，因此洞穴内部可能存在大量混合现象。
铀系测年
[edit | edit source]作为一种大型原子，铀在很长的半衰期内衰变成铅，并且存在两条铀衰变链，一条是铀-235衰变成稳定同位素铅-207，另一条是铀-238衰变成稳定同位素铅-206。科学家们将其视为这条长衰变链的一部分，即铀-238衰变成铀-234，这是铀-238衰变的第一部分。
只需测量铀-234衰变成钍-230的量。铀-238衰变成钍-234，半衰期为42.7亿年；钍-234衰变成镤-234，半衰期为27天；然后镤-234衰变成铀-234，半衰期也为27天；最后铀-234，半衰期为245,500年，衰变成钍-230。
铀-234与钍-230之间的衰变可以用来测量几十万年内的事件。这种方法存在一个问题，因为科学家们不知道我们正在测量的骨骼或沉积物中铀的初始量。骨骼或沉积物中铀-234的初始量是未知的。铀氧化物通常被地下水带入和带出化石，以及沉积物颗粒之间的孔隙。
因此，与其他测年方法不同，在其他测年方法中，子体产物的初始量被假设为零，或者可以通过实验确定，例如碳-14测年法，我们无法得出这样的结论。因此我们必须建立一个扩散模型，通常被称为模型年龄。
这种方法是将骨骼切片，清洁并使用激光烧蚀其深度不同的各个点，测量铀-234与钍-230的比例。由于骨骼随着时间的推移吸收了更多的铀-234，因此骨骼的外层比骨骼的内部更富含铀-234。利用铀-238、铀-234和钍-230的梯度，可以建立一个扩散模型来确定化石生物死亡时骨骼中可能的铀-234含量，以及在此过程中由于铀-234的衰变而产生的钍-230含量，因为在石化过程中会添加额外的铀-234。由于添加了铀-234，以及铀-234非常稀有的事实，因为它仅由铀-238的衰变产生，因此这种方法仅用于难以测年的情况，例如测年沉积在难以测年的洞穴沉积物中的化石，特别是在放射性碳测年的上限，即10万年到50万年的化石。
铀系测年法被用来重新检验弗洛勒斯人的年龄，方法是观察化石骨骼本身。弗洛勒斯人骨骼的铀系测年法得出的年龄在66,000到87,000年之间(修改后的年龄链接)，比附近木炭的放射性碳测年法（17,400到18,700年）和洞穴中沉积物的热释光测年法（14,000到38,000年）要古老，但这些年龄是根据实际骨骼本身建模的。这些是模型年龄，因为你必须确定铀在骨骼石化过程中向骨骼孔隙中的扩散情况，这会导致日期有些主观。
铀系测年法也被用于另一个有问题的早期人类洞穴发现，即南非纳勒迪人的年龄。使用铀系测年法对化石牙齿进行了直接测年，得出的最小年龄为200,000年(化石年龄论文链接)，而预测的年龄约为1,000,000年。
尽管如此，铀系测年法由于对铀在化石和岩石中的扩散进行了建模，因此往往具有较大的误差范围。这取决于铀-238和铀-234在洞穴中随着时间的推移添加到化石中的速度和数量。铀系测年法实际上只用于传统测年方法，如放射性碳测年法和铀-铅测年法无法进行的特殊情况。
电子自旋共振 (ESR)
[edit | edit source]1986年4月，切尔诺贝利核电站发生严重事故，导致爆炸和火灾，向附近环境释放了大量放射性物质。事故直接导致31人死于辐射，237人患上急性放射病。欧洲各地都担心如何测量事故造成的辐射暴露，苏联科学家开发了电子自旋共振技术，通过观察牙齿，特别是居住在该地区的儿童的乳牙，来测量辐射暴露量。
电子自旋共振是测量原子中未配对电子的数量。当暴露在辐射下时，电子会从其典型的共价键中分离，并在轨道内变得未配对，导致原子磁性略有不同。这种辐射损伤会导致分子键断裂，也是辐射导致癌症和损害活细胞的原因。在原子水平上，辐射会断裂分子，导致活细胞中DNA和蛋白质的错误率异常高。电子自旋共振测量材料中自由基电子的数量。
科学家利用这种测量方法，测量了居住在事故附近儿童的牙齿中电子自旋共振的数量，从而确定他们暴露于切尔诺贝利事故的放射性尘埃中的辐射量。这项研究取得了成功，这导致了在化石牙齿中使用相同技术的思路，这些牙齿暴露在地下自然发生的辐射中。
使用电子自旋共振进行测年需要我们知道周围物质在其历史中的铀和放射性含量，并计算其暴露于这种辐射的时间长度。然而，问题是你必须对化石中铀的吸收量随着时间的推移进行建模，类似于你在铀系测年中建立的模型。这是因为在这两种测年方法中，你都不能假设物质中的铀（和放射性含量）保持不变，因为随着时间的推移，新鲜铀的吸收可能会发生。科学家们通常会关注牙釉质的致密晶格结构，一种称为羟基磷灰石的矿物，因为它不易吸收铀。
电子自旋共振测年法通常与铀系测年法结合使用，因为它具有相似的年龄范围，可以用于100到2,000,000年之间的年代。原子中的未配对电子比热释光测年中看到的处于较高能量水平的电子更稳定，因此可以测年更古老的化石，最古老可追溯到200万年。这种测年方法不能用于绝大多数超过200万年的化石，但可以用来测年化石或岩石埋藏的时间长度，直到这个极限。请注意，电子自旋共振测年法是确定化石埋藏在具有可测量的背景辐射的沉积物中的时间长度。
表面暴露测年法或铍-10测年法
[edit | edit source]这种测年方法彻底改变了过去250万年的冰河时代的研究所，并研究了地球最近气候的冰川和间冰川期循环。表面暴露测年法可以确定岩石暴露在阳光下的时间长度。确定岩石暴露在阳光下的时间长度，地质学家可以发现岩石或巨石何时被融化的冰川沉积，以及在过去的冰河时代事件中，这些冰川在局部范围内的规模和时间。
其工作原理是，当岩石暴露在阳光下时，它们会受到来自太阳的宇宙射线的轰击，宇宙射线中含有中子。这些射线导致矿物晶体中的原子发生所谓的散裂，导致宇宙成因核素的积累。
存在多种类型的宇宙成因核素。例如，我们之前谈到在实验室条件下用中子轰击钾-40，生成氩-39，从而进行氩-氩测年。同样的事情也会发生在自然界中，当岩石长时间暴露在阳光下时，你可以测量氩-39的含量。大多数地质学家反而寻找形成固体的原子，因为这些原子更容易从岩石中提取出来，包括铍-10，这是最常用的宇宙成因核素之一，用于测量。
铍-10在岩石和巨石形成时并不存在于石英矿物中，但当晶格结构中的氧原子暴露于含有短寿命自由中子的宇宙射线时，铍-10就会积累。只要岩石暴露在阳光下，铍-10就会在晶体中积累。铍-10是一种不稳定的放射性同位素，半衰期为139万年，使其非常适合在更新世时期的大多数测年应用中使用。迄今为止，大多数被研究的岩石的暴露年龄都不到50万年，这表明大多数岩石在50万年内都会重新埋藏。
表面暴露测年法与众不同，因为我们关注的是铍-10随着时间的推移在岩石表面积累的量，因此岩石中铍-10的含量越多，它暴露在阳光下的时间就越长。如果岩石被掩埋，或者旁边长了一棵树，从而被阳光遮蔽，那么铍-10的积累就会减慢或停止，随着时间的推移，它会衰变成硼-10，将岩石中的铍-10清空，并重置下次暴露在阳光下的时钟。地质学家必须确保岩石在最近的过去一直很好地暴露在阳光下，没有被任何自然特征遮蔽，例如树木。
地质学家会选择一块巨石或岩石，并仔细记录其位置，以及岩石周围的地平线，以说明岩石在一天中任何时间段的阳光照射时间长度。
在岩石中钻一个小型的炸药，然后收集岩石表面边缘的岩石碎片。将样品在实验室中研磨成粉末，并用氢氟酸消化，以分离石英晶体，将其转化为强酸中的液体溶液。该溶液与各种化学物质反应，将铍分离成白色粉末，然后通过质谱仪测量岩石中铍-10的含量。然后将该含量与岩石在该位置的日照量模型进行比较，该模型考虑了周围地形特征，并确定了岩石在地球表面停留的时间。这是一个非常酷的方法，在了解地球冰川历史方面变得非常重要。
磁性地层学是研究沉积岩中铁矿物的磁性方向。这些方向记录了沉积岩沉积时磁极的方向。就像磁罗盘一样，当铁矿物在熔岩、岩浆或沉积物中传输时，会指向当前地球的磁场方向。地球磁场并不固定，而是会移动。事实上，磁极的方向大约每几十万年就会随机切换一次，这样指南针就会指向南极而不是北极。铁矿物方向的变化记录在当时形成的岩层中。测量正常极性（铁矿物指向北）和反极性（铁矿物指向南）之间的这些方向，可以得到可以在不同岩层之间相互关联的事件。
这些不同极性带的厚度可以与火成岩进行比较，火成岩记录了绝对年龄（例如使用钾氩测年法），以及当时岩石的极性，从而可以将沉积岩和火成岩进行关联。磁性地层学非常重要，因为它允许对含有化石的沉积岩进行测年，即使没有火山灰层存在。
磁性地层学存在一些问题。一个问题是沉积岩中的岩石可能会退磁。例如，岩石被闪电击中会打乱铁粒子的方向。如果沉积速率差异很大，或者存在你不知道的不整合面，也很难将岩层进行关联。然而，它对于许多岩层非常有效，并且是通过记录岩石记录中的这些反转来确定岩石年龄的一个很好的工具。它也是证明地球构造板块运动的关键技术之一。
在野外采集岩石样品时，要记录其确切方向，并小心地取出岩石，不要将其破坏。然后将岩石带到实验室，将其放置在铁笼中，以消除周围环境磁场的影响。然后将岩石样品冷冻至绝对零度以上的极低温度，这样岩石的残余磁性更容易测量，因为沉积岩的磁性不是很强。磁性更强的岩石，如火成岩，则不需要冷却。然后慢慢地对岩石进行退磁，记录其方向矢量并进行空间绘制。
这些数据点将更多地落在北方或南方，具体取决于沉积时地球的极性。极性反转事件之间的跨度很短，只有几百年，大多数时间极性处于正常或反转状态。有时极性会迅速变化，而有时极性在数百万年内都不会变化，这些长时间没有变化的间隔发生在白垩纪，也就是恐龙时代，持续了 4000 万年，被称为白垩纪超级纪，在此期间极性一直保持正常，地质学家不知道为什么会发生这种情况。
| 方法 | 测年范围 | 可测年物质 | 衰变过程 |
|---|---|---|---|
| 放射性碳 | 1-70 千年 | 有机物质，如骨骼、木材、木炭和贝壳 | 从生物圈中移除后，有机物中 14C 的放射性衰变 |
| 钾氩和 40Ar-39Ar 测年 | 1 万年-50 亿年 | 含钾矿物 | 岩石和矿物中 40K 的放射性衰变 |
| 裂变径迹 | 100 万年-100 亿年 | 含铀矿物（锆石） | 测量 238U 放射性衰变在玻璃和矿物中造成的损伤径迹 |
| 铀铅 | 1 万年-100 亿年 | 含铀矿物（锆石） | 铀通过两条独立的衰变链放射性衰变为铅 |
| 铀系 | 1 千年-50 万年 | 含铀矿物、珊瑚、贝壳、牙齿、CaCO3 | 234U 到 230Th 的放射性衰变 |
| 发光（光学或热激发） | 1 千年-100 万年 | 石英、长石、石器、陶器 | 基于辐射诱导损伤在矿物晶格中积累的电子而测定的埋藏年龄或加热年龄 |
| 电子自旋共振 (ESR) | 1 千年-300 万年 | 从外部来源吸收铀的含铀物质 | 基于矿物晶格中辐射诱导顺磁中心的丰度而测定的埋藏年龄 |
| 宇宙成因核素（铍-10） | 1 千年-500 万年 | 通常来自火山岩或沉积岩的石英或橄榄石 | 表面环境中宇宙射线产生的核素的放射性衰变 |
| 磁性地层学 | 2 万年-10 亿年 | 沉积岩和火山岩 | 测量地层序列中记录的地球古磁场方向 |
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