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11 May

地球的年齡

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這篇于 2020-04-12 在臉書發表

宇宙年齡137 億年,地球年齡45 億年。。是不是的你,怎樣算出來的。。

當然不是我算的。

答案是利用原子,Atom,的半衰期,half life,特性。
蛤?甚麽來的?

首先,原子內有原子核,Nucleus ,跟電子,Electron。可以想像太陽系內的太陽跟行星的關係(當然完全不一樣,不過在這裡沒多大影響)。原子核本身則是由質子,Proton,跟中子,Neutron,組成。這些統稱為粒子,particles。

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原子的普遍模型
http://spmphysics.onlinetuition.com.my/2013/09/the-composition-of-nucleus.html

原子在一般情況下都處於穩定狀態。偶爾因為外來因素,讓原子失去某些粒子,原子就會變得不穩定。一個不穩定的元素會在一段時間內衰退成為另一個元素。科學上把一組(非常)大量的元素衰退成一半數量的時間稱為『半衰期』,這種衰變期是穩定的。

統計學來了。

這半衰期是大量元素同時衰退的平均數。就好像之前說過的扔骰子一樣,單個元素原子的半衰期並不能被預測到,因為它可以是明天,也可以是一千年後。但當原子數量達到幾百萬幾千萬甚至幾億的時候,它們的平均值就變得穩定了。

普遍上用來測量古物年份的元素是碳-14,Carbon-14。
碳-14 是氮-14 被太陽的中子撞擊下產生的。由於太陽跟地球的關係是穩定的(至今為止),碳-14 在大氣中的平均值也是穩定的。

碳-14 不是一個穩定的元素,它會衰變為氮-14。它的半衰期為 5730 年。

那麼,考古學家,archaeologist ,如何利用碳-14 來測量年代?

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碳-14 的半衰期。
https://www.esrl.noaa.gov/gmd/outreach/isotopes/images/half_life_graph.jpg

碳-14 有一個同位素,isotopes,就是我們熟知的碳-12。碳-12 是穩定的,它不會衰變。大氣中碳-14 跟 碳-12 的比例幾萬年來都是恆定的。當植物吸收二氧化碳,同樣比例的碳-14/碳-12 也被吸收。草食動物吃了植物,也吸收同樣比例的碳-14/碳-12。肉食動物吃了草食動物,也吸收同樣的比例。以此類推。當動物死亡的時候,體內的碳-14/碳-12就不再更新。這之後,因為碳-14的衰變,碳-14/碳-12的比例就隨著時間而變少。

所以科學家能藉著測量骨頭上碳-14/碳-12的比例來確定年代。

但是,碳-14 的 5730 年半衰期不算太長,當碳-14/碳-12 少於十分之一時,準確度就開始不穩定了(扔骰子定律)。所以碳-14 只能用在測量 5 至 6 萬年前以內的物品。

古生物學,Palaeontology ,上利用半衰期更長的元素,比如鉀-40,Potassium-14、鈾-235,Uranium-235、或鈾-238 等等,來測定更久遠的時代。

但是,這些元素並不存在於生物體內,如何能斷定恐龍身處的年代?

答案在地質層。

地球的表面一直不斷的被火山熔岩、山崩、灰塵、細菌、等沉澱物覆蓋。所以越深的地質層代表越久遠的年代。古生物學家藉著恐龍被挖掘出來的地質層來決定恐龍身處的年代。

地球上至今探測到最久遠的鋯石,Zicron,能追溯到 43 億,4.3 billion,年前。加上種種其他地球成型的因素,科學家就決定把地球的年齡定位於 45 億年。

題外話,太陽跟月球也有同樣 45 億的年齡。

宇宙年齡呢,不在這篇文章範圍,只是為了刺激感官而已。

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