放射性定年法

地球的年齡約有四十六億年;而我們也常聽到某些地層是一萬年前或是數億年前形成的,這些年代的推算.測量,有相對和絕對的定年法.而較精確的測量是採用絕對定年法.由於地球內部含有一些具有放射性的元素,它們並不穩定,原子核會自動分裂蛻變成其他較輕的元素,同時釋放出熱能,被周圍的岩石所吸收.在蛻變過程中,原來的元素稱為母元素,蛻變後的新元素則為子元素,子元素可能是母元素的一個同位素,也可能是另外的一個新元素.有些放射性元素只要經過一次蛻變,就變為安定的新元素,有些元素則需要經過許多次的蛻變,最後才能變成安定的元素,這些元素蛻變的速度,也快慢不同,短者只要幾分之一秒,最長的可達四十五億年之久.

欲在地層內利用放射性定年法來定年需要有一些條件:

1. 岩層內的岩石,須含有可定年的放射性元素之礦物.
2. 蛻變後的子元素,必須能全部遺留在原來岩石內而不外逸散失,以免影響母元素和子元素的相對含量,因此,標本必須很新鮮,盡量不要受過風化作用.
3. 原來的岩層不要受到地殼變動.火成活動或變質作用等影響,若變動後或活動過所測出的,只能代表活動時的年代,而不是原來岩層的年代.

如果我們知道原來母元素的含量以及它的半衰期,它蛻變後子元素的含量,就可以推算出含有這元素礦物的絕對年齡.最早被用來定年的放射性元素是U-238( 元素),但是存在量少,只有少數礦物含有足夠的量,足以用來定年;目前的放射性定年法以鉀一40法最普遍且重要,因大部分用放射性來定年的礦物,都是岩漿作用形成的礦物,因此火成岩中,含鉀元素的礦物很多(如雲母.角閃石.正長石等).這種方法,不但可以用在年輕如幾萬年的岩層,也可以用在古老的岩層;不過太過於古老的岩層就不是很適用,因為子元素產生的氣體,可能會有部分的逸失,所以較可靠的放射性定年法,是在同一個標本中,選擇兩種或以上的不同放射性元素來同時定年,彼此相互比對,可以得到較為正確的定年判斷.

認識什麼是放射性定年法後,現在我們簡短的談一談常見的兩種放射性定年法:

(1)鉀一 亞定年法:

鉀的原子核內有19個質子,但是中子卻有三種不同的數目,分別為20.21和22,因此,原子量也有三種,分別是39.40和41,然因質子數都是19,使它們在週期表上佔有相同的位置,我們稱它們為鉀的同位素.其中原子量40的鉀元素,原子核極不穩定,具有放射性,在自然狀態下,它會發生蛻變,其方式有二:一種是會放出一個貝他(B)粒子,而變成子元素鈣,然而鈣元素普遍存在於地球的岩石內,不易將鈣的同位素單獨分離出,在定年的利用上,無多大意義;另一種方式是:鉀會得到一個電子,變成 亞的子元素,此蛻變的半衰期是十三億年(即岩石內的礦物,若含有一公克的母元素鉀,經過十三億年後,只剩零點五公克,再經過另一個十三億年後,則只剩下零點二五公克的母元素鉀,而相對地產生的子元素會逐漸增加),蛻變後的 亞一40為一種氣體,其反應式如下:

鉀 +電子 ---- 亞

欲定年的岩石或礦物,若受過火成活動或變質作用,則此氣體將可能逃逸,定年的結果只能代表變質.火成活動當時的年代,若僅有少部分氣體逃逸,則定年出的年齡,將介於岩石最初形成和變質作用之間的年代.臺灣有關火山岩的鉀 亞定年做得相當完整,而近年來則採用了最新的核飛跡定年法做了許多火山定年的研究.

(2)碳一14定年法:

高空的氮分子,經由宇宙中高能量射線的撞擊後,釋放出來的中子,再撞擊高空中的氮一14同位素,可以生成碳一14同位素,它並不穩定,也是一種放射性元素,半衰期為5730年,反應式如下:

中子+氮 ----碳一14 +質子

當高空的碳一14形成後,會和氧結合成C14O2,然後慢慢地沉到地表或溶解於水中,被生存的動.植物所吸收,當這些動.植物死亡後,呼吸作用無法進行,身體內部原來吸收的碳一14,逐漸的蛻變為子元素氮一14,使得母元素碳一14逐漸減少,因此,由已死亡有機物內碳一14和氮一14含量的比率,可以得知生物死亡和含有這些生物岩層的時間,因此碳一14定年法最適合用於各種含碳化物的定年,如貝殼.化石.枯木.骨骼等,然因半衰期較短,只能用於年代約在五萬年上下的年輕地層之定年;火成岩方面的定年,因含碳標本取得的不易,較少採用此法.

碳一14定年的方法是採用間接的,因為蛻變後的子元素氮一14也是氣體,容易散失,因此是計算標本中殘留碳一14所釋放出的貝他粒子數目,因它和標本內碳一14原子的數目是成正比的.晚近,由於工業發達後,石化工業燃料煤.石油.天然氣燃燒後產生的CO2也排入大氣中,這些多為原子量12的碳,因此改變原有大氣中碳一12和碳一14的比值,所以,我們需要先藉助其他方法,定出碳一12和碳一14隨時間變化的情形,再做碳一14的定年來增進定年的準確度.

參考資料: 普通地質學 何春 遜 編著 五南圖書出版公司 印行