地球年龄综述.pdf

2 0 1 2年 5月 V o 1 3 0 No 0 9 中学物理 物理与生活 地 球 年 龄 综 述 余新业 镇江市第一中学江苏 镇江2 1 2 0 1 6 1引言 宇宙年龄有多大 宇宙大爆炸理论认为 大约 1 4 0亿 年 误差 3 0亿年 那我们生活的地球是何时形成的 研究宇 宙的进化历史 预测宇宙未来的变化趋势 这些问题激起很 多学生的兴趣 显然地球年龄一定远小于太阳年龄 地球只 是太阳系的一颗行星 太阳系是宇宙大爆炸后若干时间后才 逐渐形成的 相对于人类历史而言 这是一个很漫长的时期 同样这个问题也考验过许多科科技工作者的智慧 本文对此 作一综述 首先要界定地球年龄的概念 2 地球年龄的定义 从天文学角度看 地球是何时形成的 这不是一朝一夕 的事情 应是以千万年或亿年为计量单位的 目前关于地球 年龄的问题 有一些不同的认识 通常有两种概念 一是地球 的天文年龄 这是指地球开始形成到现在的时间 二是地球 的地质年龄 这是指地球上有地质作用开始之后 到现在的 时间 从 原始地 球形成 经 过早期 演 化到 具有 分层 结 构的 地 球 根据物理学家推测 估计要经过几亿年 所以地球的地质 年龄小于它的天文年龄 查阅有关地质学资料可知 地球上 已知最古老的岩石 西格陵兰片麻岩的年龄是 3 8亿年 地球的地质年龄一定比这个数值大 地质年龄是地质学家研 究的课题 通常所说的地球年龄 是物理学家和天文学家们 研究的地球开始形成到现在的时间 既地球天文年龄 目前对地球年龄的最佳估计值为 4 5 5亿年 地球从原 始的太阳星云中积聚形成一个行星到现在的时间 这个时间 是怎样推测出来的 这涉及到物理学的方法论问题 从物理 学发展史来看 可以有各种不同的方法 当然地球年龄估计 值为 4 5 5亿年这个时间 同地球起源的假说有密切关系 法国物理学教援亨利 贝克勒尔 He n r i B e c q u e r e 1 巴黎 自然历史博物馆的物理学教援 于 1 8 9 6年发现了天然放射 性现象 这对测定地球的年龄有决定性意义 目前最精确可 靠 量程最大的宇宙计时器 显然就是放射性元素的蜕变了 历史上有人主张用海水含盐浓度的增加来推算 有人想出用 沉积岩形成的时间来测定等等 不一而足 放射性元素衰变一半需要的时间叫半衰期 不同的放射 性元素半衰期相差很大 表达式为 r l n o 2 r 为半衰期 t 为时间 它不以外界物理化学条件变化为转移 例如元素钍 2 3 2的半衰期是 1 3亿年 铷 8 2的半衰期则将近 5 0亿年 铀 2 3 5 每隔4亿 5千万年就有一半变成铅与氦 核反应方程 u 一 P b 8 He 6 一 e 从这些元素和他们衰变产物的相对浓度中 我们测定出 地球最古老的岩石已有 3 8亿年的历史 但这显然还只是地 球从 天文时期 进入 地质时期 前后的时间 根据对太阳系 陨星石和月球岩石的测定和比较 我们地球的年龄应该是超 过 4 5亿岁了 3 历史的追溯 3 1汤姆 生 的 假说 早在查理 达尔文 C h a r l e s D a r wi n 时代 达尔文在其著 作 贝格尔号航行期内的地质学 中就已提出关于白垩纪形 成具有 3 亿年 l 结论 地球年龄显然远大于这一时间 英国 著名物理学家威廉 汤姆生 wi l 1 i 锄 T h o ms o n 1 8 2 4 1 9 0 7 1 8 9 2年被 封为 开尔 文勋 爵 L o r d K e l v i n 学 于道格 拉斯 大 学 毕业于剑桥大学 道格拉斯大学教授 英国皇家学会会 长 一生对地球年龄保持着永久的兴趣 在研究热学 电学及 其应用等方面也很有成就 把热力学定律具体应用到热学 电学 弹性现象等方面 1 8 4 8年创立 热力学温标 对热力学 的发展起了一定作用 还制成静电计 双臂电桥等电学仪器 汤姆生还将他的综合知识应用于地球年龄的估测 1 8 4 6年当 他在格拉斯哥大学作就职演讲中指出 依据热学原理 地球 的年龄至少有 6 1 0 0 0年 1 8 5 4年 他通过对太阳的研究认 为 恒星也是不断演化的 太阳的年龄也是有限的 德国物理 石 f 写 写 写 写 e 则圆环退化为点电荷 由选项 B得出的结论为零 显然是 错误的 所以 本题正确答案为选项 D 点评 有些物理问题的结论不一定必须通过计算才能 验证 有时只需通过一定的分析就可以判断结论是否正确 量纲分析法是其中的方法之一 量纲分析法虽然不能保证答 案的正确 却可以找出错误 凡是正确反映客观规律的物理 方程 其各项的量纲都必须是一致的 即只有方程两边量纲 相同 方程才能成立 在一些较为复杂的包含很多物理量的 过程中 有的不能从数学上严格求解 有的甚至列不出确切 描述这一过程的方程 量纲分析得出的变量之间必须遵守的 关系式 可以减少问题的不确定因素 在此基础上 应用相似 8 0 性理论 通过模型试验 确定关系式的一般函数形式 具有重 要的实际意义 从根本上来说 费米问题 的科学价值不仅仅在于解决 了日常生活中的许多问题 还在于提高了人的独立发现和创 造发明能力 至于这种发现是像测算原子弹的威力那么至关 重要 还是如同计算罐子里的硬币那样微不足道 则是无关 紧要的 通过单纯查阅资料或者依赖别人去寻找问题的答 案 只会使你失去唯有在独 自的发现过程中所领略到的那种 无与伦比的自豪和欢快 丢掉使 自己树立和巩固自信心的实 践经验 因此 大胆地去处理像 费米问题 一类的问题吧 这 将会成为丰富我们生活的一大乐趣 学家亥姆霍兹 F Hd mh o t z 认为 太阳的热量来 自其形成时 期释放的引力势能 亥姆霍兹的一生 研究领域十分广泛 除 物理学外 在生理光学和声学 数学 哲学诸方面都作出了重 大贡献 汤姆生接受了亥姆霍兹 的观点 认为太阳能来 自陨 星 这使他得出如下结论 太阳的年龄几乎小于 5亿年 最有 可能小于一亿年 当然这是汤姆生的假说 直到地球变成温 度均匀的固体热球 汤姆生通过对上述假设的综合分析作出 推断 地球的年龄在 9 0 0 0万年和 4亿年之间 显然这种推断 偏差是很大的 考虑的因素过于单一 3 2放射性的发现 1 8 9 6当亨利 贝克勒尔把铀盐放近被不透光的纸包封着 的照相底片时 发现照相底片被曝光 这种现象对于所有试 验过的铀盐来说都同样存在 因此他得出结论说 这是铀原 子的一种特性 所以物理学史专家认为 第一位发现放射性 的是法 国物理学 家亨利 贝克勒尔 He n r i B e c q u e r e 1 他 是研 究荧光和磷光的专家 后来 贝克勒尔证明 这种射线是铀放 射 的 著名物理 学 家乔 治 达 尔 文 J D a r w i n 达 尔 文 的次 子 以及约翰 佩里 J P e r r e 和奥利佛 一亥 维赛 Ol i v e r H e a v i s i d e 汤姆生的学生 这几个科学家明确指出了汤姆 生的假说中存在不确定性 表明了这些不确定性的变化可使 地球的年龄远远大于汤姆生估计的 4亿年的上限 他们并未 说直接说明汤姆生的估计值是错误的 但是指出汤姆生 对其结果如此自信则是不正确的 就在这时 1 8 9 6年 贝克勒 尔 法国物理学教援 发现了放射性 一种铀盐散发出一种 奇怪而穿透能力很强的射线 能使包在黑纸中照相底片感 光 这一发现是物理学史上的一座丰碑 众 所周知 它把我们 带到了原子核的时代 并以两种方式冲击了汤姆生对地球年 龄的估计值 把热力学第一定律和热力 学第二定 律应用 于地 球年龄的估计是有结构性问题 的 首先 发现了 B 7放射 线产生的热量 由于汤姆生在他的热理论计算中未能充分考 虑到这一点 因此他的模型不能完全适用于真实的地球 其 次 具有讽刺意义的是 正是由于 8 7放射性现象给了汤 姆生的计算以沉重打击 同时也给我们一劳永逸地解决地球 年龄问题提供了工具 在 1 8 9 6 年到 1 9 0 4年 即发现 放射 性 的八 年之 后 没有 人认识到放射性可能被用作地质时钟 年轻的新西兰科学家 恩斯特 卢瑟福 E rne s t R u t h e r f o r d 才首次发现具有真正意义 的地球年龄 当时是位于加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学物理 学教授 他和索迪 F r e d e r i c k S o d d y 在麦吉尔大学获得了关 于放射性的一系列发现 粒子散射试验 1 9 0 4年 当卢瑟 福到英国伦敦皇家学院发表演讲有关 a粒子散射试验时 谈 到了用放射性对地球年龄测定的意义 年过八旬的物理学家 汤姆生 也是他 的一名听 众 不言 而喻 恩 斯特 卢 瑟福 E r n e s t Ru t h e r f o r d 对地球年龄确定方法的最新见解在英 国 引起了争论 4 铀 一铅放射性方法 铀的两个放射性同位素 U2 3 5和 U2 3 8衰变而成 P b 2 0 7 和p b 2 O 6 但没有任何 一种放射性 同素衰 变形 成 P b 2 0 5 P b 2 0 4 因此 P b 2 0 5 P b 2 0 4的量在地球形成以来是不变的 这 样 P h 2 0 7 P b 2 0 5 P b 2 0 6 P b 2 0 4同位素比值在地球不断演化 过程中将不断增长 目前最佳测定的地球现代铅同位素值为 a p P b 2 0 7 P b 2 0 5 1 8 7 0 0 1 8 7 7 3 艮 P b 2 0 6 P b 2 0 4 1 5 6 0 0 1 5 6 2 8 如果取地球开始形成时的原始铅同位素组成 相当于陨石的原始铅 根据铁陨石中一种不含铀的矿物即陨 硫铁的铅同位素 a o P b P b 9 3 0 7 岛 P b P b 1 0 2 9 4 可 以计算出地球年龄 4 4 3 4 4 5 亿年 地球上的大洋沉积物 现在时期形成 以及岛屿地区的火山岩和方铅矿 现在时 期形成 是各大陆地壳和地幔物质经充分混合后形成的 因 此它们的铅 同位素组成可以近似代表当下地球铅的平均 组成 利用关于元素起源的理论可以给出地球年龄的上限 元 素形成以后才形成太阳星云 继而地球等行星又从太阳星云 中分异凝聚形成 根据核子合成的理论 铀同位素 U 2 3 5和 U 2 3 8在元素形成时的比例大约为 1 6 4 1 它们形成以后就 以 自己固有 的速率 进行 衰变 而且 U 2 3 5要 比 U2 3 8衰变得 更快 衰变方程式为 u n B a 9 K r B i n u T h H e U 2 3 8的半衰期长达 4 5亿年 与现在所知地球年龄相 当 因此现在地球 上铀 的这 两个同位素 的丰度 比是 1 1 3 7 8 8 根据这两个比值 我们可以估算元素的年龄为6 6亿 年 尽管不同的理论对铀同位素形成时丰度比的估算存在着 差别 但这一年龄不会小于 5 0 亿年 5 复合的陨石地球时钟 地质化学家 美国 克雷尔 帕特森 C B e t s o n 等人于 2 0 世纪 3 0年代研究铁陨石的年龄 如何测定陨石的年龄呢 他们建立了一种新的方法 这是一种复合的陨石地球时钟 这些美国科学家建立了一套严谨的化学分析方法 经过艰苦 的努力 终于分离和浓缩出来 自铁陨石的微量且未被污染的 初始铅量 他们还建造 了高灵敏度的质谱仪 并用其测到这 种原始的铅 早期地球 的同位素成分 铁陨石实际上不含 铀 只要知道地球形成时铅同位素组成 就可以大致测出地 球年龄 帕特森及其同事从代阿布洛峡谷铁陨石上发现了铀 铅时钟上的零点年龄读数 即原始同位素成分 年轻火 山铅测定地球的年龄为 4 5 6亿年 在美国亚利桑那州上空 爆炸产生火山坑陨石之后 克雷尔 帕特森 C B e t s o n 使用的 代阿布洛峡谷铁陨石进行研究 在宾夕法尼亚州的一次会议 上帕特森公布了他的地球年龄计算结果 他在获得代阿布洛 峡谷时钟读数 零点年龄 之后 又发现从铅同位素获得的现 代时钟读数 尽管如此 帕特森等人这种将陨石放