科学|为什么科学家能确定人类祖先、恐龙化石和其他生物的年龄？
在美国大西洋海岸 ， 考古学家发现了4000多年前印第安人留下的牡蛎壳；在摩洛哥 ， 古生物学家发掘出了一种一亿六千六百万年前生活在地球上的恐龙化石 。
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那么 ， 科学家是如何确定这些东西的年龄的呢？
在确定这些古生物、古人类的遗迹时 ， 科学家使用的是放射性定年技术 ， 也就是通过计算考古样品中仍然存在的某些元素的放射性原子的含量来确定物体的大致年龄 。
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对于过去五万年左右的人类或动物遗骸和手工艺品 ， 研究人员观察的是样本中的碳14的含量 。 这种被称为“放射性碳”的碳元素同位素是由宇宙射线与地球大气中的氮碰撞时产生的 。 碳14的化学性质和一般的碳元素(碳12)完全一样 ， 植物光合可以通过光合作用吸收它 ， 然后将其传递到食物链的上层 。 当动物和植物活着的时候 ， 它们所含的碳14的水平往往与它们所处环境中的水平相同 。 但生物死亡之后 ， 它们停止消耗或吸收放射性碳元素 ， 放射性过程便开始了 ， 放射性碳同位素衰变回氮元素 。 因此 ， 研究人员将碳14的含量与碳12和碳13的含量进行比较 ， 就可以确定一种生物死亡的时间 。 死亡生物体内碳14的含量呈指数衰减 ， 大约5,730年后下降到初始值的一半 。 利用加速器质谱仪 ， 研究人员可以很容易地测量样品中的放射性碳元素 。
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然而 ， 太阳耀斑和一些其他事件会影响高层大气中放射性碳的含量 ， 而且放射性碳在整个世界的分布也有些不同 。 根据树木年轮、冰芯和其他来源的测量数据 ， 研究人员设计了校准曲线 ， 显示环境中碳14的浓度是如何随时间变化的 。 北半球、南半球和海洋环境都有各自的校准曲线 ， 为了达到最精确的年代测定 ， 考古学家还得考虑导致大气放射性碳局部变化的因素 。
对于每一个古人类考古遗址 ， 科学家都想知道古人类什么时候在那里？他们在那里呆了多久？他们干了些什么？为了重建一个古人类遗址的演化过程 ， 放射性碳元素定年法是一种很好的方法 ， 因为在动物骨头、古人类使用过的布料上、种子里等各种有机物中都有碳14的踪迹 。 然而对于在大约五万年以前的遗址 ， 死亡生物体中几乎所有的碳14都已经衰变 ， 无法通过碳同位素确定他们的年龄 。 科学家必须转向寿命更长的放射性元素 。
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一些放射性元素起源于地幔 ， 通过火山作用到达地表 ， 并被困在土壤和岩石中的矿物晶体中 。 例如 ， 在几百万年的时间里 ， 铀235和铀238经历了多阶段的衰变 ， 变成了铅的同位素 ， 这使铀同位素成为一种理想的定年元素 ， 研究人员可以通过测量铅和铀同位素的比率来确定样品的年龄 。
但是 ， 使用这种技术来确定生活在数百万年前的生物化石的年代 ， 比如恐龙 ， 却远非那么简单 。 化石本身通常不能直接确定年代 ， 化石的形成经过各种过程 ， 其中最常见的过程称为矿化 。 当一个死去的恐龙被埋葬后 ， 其坚硬的部分 ， 如骨头 ， 会被矿化保存下来 。 随着水渗入遗骸 ， 水中的矿物质会填满骨头的缝隙 ， 凝固成晶体结构 ， 最终取代了有机物 。 当矿物形成化石的时候 ， 它们就不再“新鲜”——里面的铀已经被污染了数百万年 。 试图直接确定一种生物的年代将会产生错误的结果 ， 因为化石可能比生物体本身要古老得多 。
因此 ， 科学家必须依靠化石周围或附近的地质构造来计算它们的年龄 。 由于化石通常是在沉积岩层中发现 ， 古生物学家可以通过检查沉积岩上面或下面的矿物来确定它们的年代 。
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