同位素是如何測定地球的年齡,和陽澄湖大閘蟹真偽的呢?

地球的年齡如何測定？

陽澄湖大閘蟹如何鑑定真偽？

這雖然是兩個毫不相關的問題，但他們卻可以使用共同的工具：同位素。

那麼，什麼是同位素？同位素又如何測定地球的年齡，如何鑑定大閘蟹產地呢？就讓小編來告訴你吧~

我們知道，物質是由原子組成，而原子又是由核外電子和原子核組成，原子核由質子和中子組成。

具有一定質子數和一定中子數的原子即被稱為一種核素，而具有一定質子數的原子被稱為一種元素。

即同一種元素的原子均具有相同的質子數，而同一種核素則具有相同的質子數和相同的中子數。

而所謂同位素，就是具有相同質子數與不同中子數的核素。它們具有相同的質子數，所以在元素周期表中，它們佔據相同的位置，故稱為同位素。

我們通常在元素符號左上角加上相對原子量來表示不同的同位素，如：氧-18。不同的元素可以有一個或多個同位素，如鈣，在自然界中有六個穩定的同位素：鈣-40、鈣-42、鈣-43、鈣-44、鈣-46、鈣-48。

由於中性原子的化學性質主要是由核外電子決定，而核外電子數等於原子核內的質子數，所以同一元素的不同同位素具有十分相似的化學性質。

然而，由於原子核質量的差異，在一些物理化學過程中，又常常表現出細微的差異。由於這種差異而導致的物理、化學過程前後的同位素組成產生差異的現象稱為同位素分餾。

這種既相似又具有微小差異的特性正是同位素的魅力所在。

根據同位素放射性質的不同，我們將同位素體系分為放射性同位素和穩定同位素。

放射性同位素體系由放射性同位素和放射性衰變產生的放射性成因同位素組成。

而穩定同位素則是指既不具有放射性又不是由其他具有放射性的同位素衰變生成的同位素。

當然，這一划分並不絕對，對於所研究的時間尺度來說，放射性半衰期很長或衰變母體的半衰期很短的同位素也被認為是穩定同位素。

【知識連結：放射性衰變與半衰期】

有些核素的原子核並不穩定，會自發地轉變為其他核素，並發出射線，這一過程被稱為放射性衰變，可以發生衰變的核素稱其具有放射性。衰變前的核素稱為母體，衰變生成的核素稱為子體。對於特定的衰變反應，任意數量的母體衰變至其含量僅剩一半時所需的時間是恆定的，這一時間稱為半衰期。

對於放射性同位素體系，在地球化學中的應用主要是定年。而對於穩定同位素，應用則主要為測溫、示源、示蹤。

（一）放射性同位素的應用：定年

所謂定年，就是利用放射性同位素衰變的性質，測定體系不與外界發生同位素交換後的年齡。

就像可以通過判斷發量估算博士生的年級一樣。如果假定讀博之前的發量為固定值，隨著讀博時間的增加，發量以一個固定的速率減小，就可以通過目前的發量與初始發量的比值來推測讀博的時間。（X）

對於同位素定年也是相似的，體系不與外界發生同位素交換時可以看作「入學「，而同位素母體隨著時間逐漸衰變減少，就像頭髮一樣。那麼我們只要測定樣品中剩餘母體的含量（當前發量），並通過一些方式估計出初始母體的含量（初始發量），由於同位素衰變的半衰期（發量減少速率）是已知的，那麼我們就可以得到所測樣品不與外界發生交換多少年了，從而得到了樣品的」年齡」。

比如我們熟悉的碳-14定年，就是測定體系不與外界發生碳同位素的交換後的年齡。

由於宇宙射線的作用，在大氣中會發生核反應生成碳-14，通常認為這一速率大致不變；同時碳-14發生衰變，那麼大氣中的碳-14就會在生成和衰變中達到一定的穩態，最終大氣中碳-14含量基本不變。木材砍伐並製成棺木後，其中的碳將不再與大氣發生交換，此後碳-14發生衰變，以一定的速率減少。我們通過測量棺木中的碳-14含量，將其與大氣中的碳-14含量對比，又已知衰變速率，就可以知道棺木是什麼年代的產物了。

對於其他的放射性同位素定年方式，原理也比較相似，只不過要根據不同的時間尺度選擇不同的同位素體系。

如果選用的半衰期過短，那麼樣品中的母體含量就會很少，於是甚至測量不出來；如果選用的半衰期過長，那麼母體含量幾乎沒有變化，也不能定出年齡。

例如地球的年齡就要通過U-Pb體系來確定。

對於同位素定年，其中比較關鍵的一點是對於初始含量估計。因為大多數情況下我們並不知道放射性母體的初始含量，所以我們需要通過很多其他的方式來假定母體的含量或通過公式的轉換，將初始母體的含量變成其他可以確定的量。其中比較常用的有模式年齡法、等時線法等。

等時線法

（二）穩定同位素的應用：測溫、示源、示蹤

對於穩定同位素的應用，則主要是利用了同一元素的同位素的性質既具有相似性又具有差異性的特點。就像W.M.White在其所編教材Geochemistry中所言，Thus is it that one group of isotope geochemists make their living by measuring isotope fractionations while the other group makes their living by ignoring them!（一群同位素地球化學家靠著測量同位素的分餾而生存，而另一群則靠的是忽略同位素的分餾）

我們先從測溫說起。在某一地質過程中，如果兩相之間同位素交換達到平衡（例如海水中緩慢沉澱碳酸鈣），而平衡分餾係數是溫度的函數，所以只需要測定兩相之間的同位素比值差異就可以求得平衡時的溫度。

【知識連結：平衡分餾係數】

兩相間的同位素比值之商稱為同位素分餾係數，而兩相之間的達到同位素交換平衡時，對於同一溫度，這一分餾係數是一個常數，稱為平衡分餾係數。

例如，在古氣候研究中，通常會出現海洋沉積物的氧-18同位素對時間的圖，這種圖其實就是海水溫度對時間的圖。因為一般而言，我們常常假設認為海水的氧同位素比值氧-18/氧-16為定值，且沉積物與沉積時的海水達到了氧同位素平衡。所以沉積物中的氧同位素比值的變化就可以表示溫度的變化。

該圖是Paleocene以來海洋沉積物中O同位素隨時間變化和C同位素隨時間變化的圖，意在討論全球氣候變化與當時全球C循環、C同位素變化之間的關係。

要想準確定出溫度，會期望該同位素體系容易發生很大的分餾，這樣會方便對分餾的測量，定出的溫度也會更準。所以，同位素測溫就是利用了同位素化學性質有細小差異的特點，而示源，則更多地利用了化學性質相似的特點。

所謂示源，就是通過某一特徵指標來指示樣品的來源。我們期望這一指標在不同的源區具有很大差異的同時，在遷移過程中最好還能保持不變。例如，我們可以通過一位同學的口音來判斷他的家鄉在哪裡。如果他的發音兒化音較重，則可能來自北方，如果平、翹舌不分，則多數來自南方，這就是示源。我們選取的指標是口音，因為一方面不同地域口音不同，另一方面「鄉音未改鬢毛衰」。

而同位素示源的原理也與之相似。例如，不同地方的水土中Sr同位素組成都略有差異，同時Sr同位素在風化、生物過程中一般不發生顯著的分餾，這樣Sr同位素就可以用來示蹤源區。

而所謂示蹤，就是利用不同過程中同位素分餾的特徵不同的性質，來推測樣品所經歷的過程。因為不同過程所導致的同位素分餾特徵具有差異，通過測量這些差異，就可以反過來制約形成、遷移過程中所經歷的地質過程。例如，可以通過研究水稻土中的Fe同位素，來推測水稻土中Fe元素的遷移規律，為農業活動提供一些指導。

水稻土剖面

當然，上述僅是一個十分粗淺且不完整的概括和分類，同位素手段在地球化學領域中的應用十分廣泛，更為系統和全面的介紹還要閱讀相關書籍。

（三）同位素地球化學的研究方向

既然同位素具有這麼多神奇的應用，那麼要怎樣進行同位素地球化學的研究呢？

對於這個問題，每個人都有自己的理解。這裡僅根據金屬穩定同位素領域（既Cu、V、Zn、Ba、Si、Cd等金屬元素的穩定同位素體系）為例，對這個問題進行一些簡單的說明。

要想研究金屬穩定同位素，首先需要建立高精度的分析方法，能將自然界中的各種樣品的同位素組成給測準。

一方面，金屬穩定同位素體系的相對質量差異較小，自然界中的分餾相對也較小，甚至小於化學提純過程中造成的分餾。

另一方面，很多金屬元素在自然界含量很少，甚至是ppm級，化學流程中容易被汙染。所以金屬穩定同位素的分析並不容易，在全世界僅有少數幾家實驗室能完成樣品的測量。

因此，分析方法的開發也一直是同位素地球化學領域的一個重要研究方向。

其次，要釐清自然界各種過程中的分餾機理，如吸附、擴散、結晶、沉澱、熔融等。這需要弄清楚不同的同位素體系是否發生分餾、發生多少分餾、為什麼會分餾。

同等重要還有同位素應用方向的發掘。要根據不同同位素體系的各自特點，結合實際的地球科學問題，將同位素的工具應用到地球化學中的各個領域。

圖片來源：

Ca同位素圖源於作者

海洋沉積物中O同位素和C同位素隨時間變化圖源於W.M.White同位素地球化學課本Isotope Geochemistry

水稻土剖面源於金屬穩定同位素地球化學實驗室

金屬穩定同位樹圖源於宮迎增 中國科大博士研究生

其他源於網絡

撰稿：肖子聰

美編：李瑩

來源：石頭科普工作室

編輯：Quanta Yuan