給遠古的時鐘上發條:如何融化一種物質重置其放射性時鐘?

2020-12-03 天文在線

如何融化一個小行星使其可以「重置」原子鐘呢?一篇關於一顆來自月球的隕石文章能夠列出它在月球上所經歷的主要撞擊活動,並且與之相會。文章指出,這是有可能的,因為每次的撞擊活動都融化了一部分隕石,並因此該部分的原子鐘被重置。

那麼如何融化一顆石頭致其腐蝕的放射性恢復到原來的形態呢?當我們熔化鉛的時候,它不會還原成鈾。同樣的問題也適用於太陽系的相會。難道放射性元素不應該自從它們在遠古超新星中爆炸存在後就已經衰變了80億年,120億年了嗎?

在固體狀態下,所有的東西都被很好地鎖定在適當的位置,以致於相對較少的粒子可以逃逸。然而,在液體或氣體狀態下,粒子可以四處移動並蒸發。由於放射性衰變的原因,物質在開始時含有比化學含義上有利的更多的子同位素的數量,因此其中一些會逸出,使物質達到平衡。

由此想到凍結在冰塊上的氣泡 – 固體冰阻礙了空氣的逸出,但當冰塊融化時,空氣便會逃逸,因為在沒有氣泡的情況下,整個系統的能量較低。(在凝固過程中,由於母子同位素的結晶不同,可能會發生進一步的分離)。這便意味著關於熔化前發生了多少衰變的信息數據就會丟失。

由此可見,如果我們能夠確定物體在凝固時存在的子同位素的數量,我們也只能計算出融化的時間。還有一種方法是找到另一種不參與放射性衰變的同位素(稱之為同位素B,用於鑽孔),找到一種非放射性巖石(或最近處於液態狀態的巖石),然後測量子同位素與同位素B的比率。

這個比例對於任何處於平衡狀態的物質材料都是一樣的, 所以比例值是樣品凝固時的比例。 然後, 您將測量隕石中的同位素 B 的含量 (或其他內容), 並將其乘以平衡比, 從而得到凝固時的子同位素量。如果你從在樣品中測量的子同位素總量中減去這個值, 你就得到了自凝固以來的放射性衰變而產生的子同位素量, 這將告訴你凝固用了多少時間。

相關知識

同位素是某種特定化學元素之下的不同種類,同一種元素下的所有同位素都具有相同,質子數目相同,但中子數目卻不同。這些同位素在化學元素周期表中佔有同一個位置,因此得名。 例如氫元素中氘和氚,它們原子核中都有1個質子,但是它們的原子核中分別有0個中子、1個中子及2個中子,所以它們互為同位素。

超新星是某些恆星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸都極其明亮,過程中所突發的電磁輻射經常能夠照亮其所在的整個星系,並可能持續幾周至幾個月才會逐漸衰減。而在此期間,一顆超新星所釋放的輻射能量可以與太陽在其一生中輻射能量的總和相當。恆星通過爆炸可以將其大部分甚至幾乎所有物質以高至十分之一光速的速度向外拋散,並向周圍的星際物質輻射激波。這種激波會導致一個由膨脹的氣體和塵埃構成的殼狀結構形成,這被稱作超新星遺蹟。超新星是星系引力波潛在的強大來源。初級宇宙射線中來自超新星的佔了很大的比例。

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