耿明

法國物理學(xué)家Antoine Henri Becquerel（1852—1908）和他的父親Alexander Edmond Becquerel（1820—1891），都曾將許多晶體、礦物和巖石碎片在亮光下暴曬，然后再在暗房中檢查看有沒有輝光發(fā)出來研究磷光發(fā)光行為。在這其中他們收集的一些鈾鹽會在強(qiáng)光照射后自發(fā)發(fā)出磷光。1896年1月，Henri Becquerel在和法國數(shù)學(xué)家Henri Poincaré（1854—1912）討論時德國物理學(xué)家Wilhelm R?ntgen（1845—1923）在上一年的十一月發(fā)現(xiàn)的X射線。R?ntgen用他的神秘的X射線在真空管中制造出了一種磷光。Becquerel沖回自己的實(shí)驗(yàn)室后，急忙就想看看自己的鈾鹽是不是有和X射線相似的性質(zhì)，比如穿透紙張、衣服、皮膚甚至人體組織的能力。他將他父親的鈾鹽放在了用紙包著的照相底片旁邊，然后發(fā)現(xiàn)雖然印記模糊但是照相底片被感光了。但與X射線不同的是，他發(fā)現(xiàn)的射線會隨電場和磁場偏轉(zhuǎn)，這種射線就在1896年就被叫做了“貝克勒爾射線”。因?yàn)檫@一性質(zhì)是所有鈾鹽都共有的，即使那些不發(fā)出磷光的鈾鹽也具有相同的性質(zhì)，所以Becquerel就認(rèn)為這是鈾原子所特有的性質(zhì)。

Becquerel發(fā)現(xiàn)了放射性之后，

Pierre Curie（1859—1906）和Marie Curie

（1867—1934）研究出了測試原子放射性的方法。居里夫婦通過他們和貝克勒爾的實(shí)驗(yàn)展示了鐳鹽的放射過程在不斷地放熱。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓大眾和科學(xué)家們都感到十分興奮。這樣的能量是怎么創(chuàng)造出來的？1903年Becquerel和居里夫婦分享了當(dāng)年的諾貝爾物理獎。諾貝爾獎夫婦的浪漫事跡極大地提高了剛剛建立不久的諾貝爾獎和放射性研究在公眾中的威望。居里夫婦也成了20世紀(jì)第一對知名的科學(xué)夫妻。Marie Curie對如何將放射性運(yùn)用于醫(yī)學(xué)特別關(guān)注，并和他的女兒（Irene）一同致力于使用鐳減輕在一戰(zhàn)中受傷的士兵們的痛苦的研究。在戰(zhàn)后，對鐳的需求也隨著經(jīng)濟(jì)大蕭條急轉(zhuǎn)直下。人們也越來越多地了解到過量輻射的危害。

20世紀(jì)對發(fā)射性的發(fā)現(xiàn)改變了人類的歷史，這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了原子彈、核能以及對癌癥的放療化療這些廣為人知的例子。在地球科學(xué)研究的歷史里，放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)也帶來了定年技術(shù)的發(fā)展，使得人們能夠確定從巖石到骨頭，甚至是最早的洋流的年齡。二戰(zhàn)期間的核試驗(yàn)造成的放射性碳的塵埃在海底沉積物中留下了十分明顯的印記，海洋學(xué)家就使用這一明顯的標(biāo)記來確定他們鉆孔巖心樣品中的20世紀(jì)50年代。

看到19世紀(jì)20世紀(jì)之交對原子性質(zhì)的激動人心的揭示，美國地質(zhì)學(xué)家Thomas C. Chamberlain（1843—1928）在1899年對當(dāng)時流行的地球是由一個熔融的大火球慢慢冷卻至今的假說提出了質(zhì)疑。他認(rèn)為地球是由冷增生開始形成的，地球內(nèi)部的熱量應(yīng)該是由原子的放射性現(xiàn)象造成的。如果說原子有這么多的秘密還沒有揭開，那行星和恒星一定也還有很多我們不知道的。

1902年，在加拿大蒙特利爾的麥

吉爾大學(xué)，英國化學(xué)家Ernest Rutherford

爵士（1871—1937）和Frederick Soddy（1877—1956）發(fā)現(xiàn)放射性現(xiàn)象是由于原子的分解的過程造成的。他們發(fā)現(xiàn)了從放射性原子中發(fā)射出來的α離子和大量的能量。Rutherford這個成長在新西蘭的英國科學(xué)家將放射性現(xiàn)象和放出的熱量聯(lián)系了起來。他很快就開始考慮將這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)中，他發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象可以用來確定地球的年齡。在1904年春天，倫敦皇家學(xué)會請Rutherford作一個關(guān)于他的發(fā)現(xiàn)的報告。他在自己的回憶錄中寫道：

“我走進(jìn)半灰暗的屋子，突然發(fā)現(xiàn)開爾文勛爵就在聽眾之中，隨后便意識到我正處于一個麻煩的境地，因?yàn)槲覉蟾娴淖詈笠徊糠謱v到地球年齡的部分，而我的觀點(diǎn)與他有很大分歧。讓我欣慰的是，開爾文很快就在會議中睡著了。但是，當(dāng)我剛剛講到這一重點(diǎn)部分的時候，我看到那只老鳥坐起來了，睜著眼睛惡狠狠地盯著我。此時我靈機(jī)一動，我說‘開爾文勛爵在沒有新的熱源被發(fā)現(xiàn)的情況下約束了地球的年齡，這一先賢的名言讓我們注意到了我們今天晚上一直在討論的鐳?？?，是這個老兄啟發(fā)了我。”

被冊封為拉各斯Kelvin男爵（Lord Kelvin）的蘇格蘭物理學(xué)家William Tho-

mson（1824—1907），他在Rutherford

的演講之前的40年里一直統(tǒng)治著對地球年齡的討論。他支持地球和太陽都是有大的熔融體形成，然后穩(wěn)定的冷卻至今的假說。根據(jù)當(dāng)時礦井中的研究，地球表面溫度每向地面下15米增高1℃。為了計算從熔融的地球到形成這樣的表面地溫梯度經(jīng)歷了多長時間，Kelvin需要計算巖石的熱傳導(dǎo)速率。1820年法國科學(xué)院終于發(fā)表了Joseph Fourier在1807年寫出的計算熱傳導(dǎo)速率的數(shù)學(xué)方程。但是由于不知道地球內(nèi)部的環(huán)境，Kelvin只好做了幾個大的假設(shè)來求解Fourier的方程。他加熱了不同類型的巖石來確定巖石傳導(dǎo)熱的能力，并推測出早期的熔融地球大概有4000℃。他一開始確定出地球大概有9億8千萬年的年齡，但是他的估算中存在很大的不確定度，他之后將自己的結(jié)果改到一個他認(rèn)為可能的范圍。他宣布地球大概是2千萬年到4億年前形成的。

大多Kelvin的批評者們對Kelvin計算地球年齡的計算方法表示贊同，但是認(rèn)為Kelvin的計算結(jié)果出乎了所有人的意料。另外一些對Kelvin的挑戰(zhàn)是認(rèn)為他對地球冷卻階段中隕石撞擊帶來的熱量的估算偏低。但是，僅僅隕石的因素并不能明顯地影響Kelvin的計算結(jié)果，況且他的計算方法也統(tǒng)治著這個學(xué)術(shù)討論領(lǐng)域。（Kelvin也確實(shí)曾為了與Darwin的進(jìn)化論進(jìn)行爭論的時候提高了地球遭到隕石撞擊所接受的熱量。）

Rutherford錯誤地認(rèn)為Kelvin勛爵會欣然接受自己的想法。然而Kelvin勛爵并沒有很快地接受鐳的放射性會放出熱量改變地球內(nèi)部的熱狀態(tài)，而且還發(fā)表了一篇短文來批評這一觀點(diǎn)。他一直沒有公開放棄他對地球年齡估算中的假設(shè)，只是在當(dāng)年的一次在英國科學(xué)協(xié)會的會議上與一位同行的一次交談中他才承認(rèn)自己的估計可能有錯。但是他并沒有發(fā)表任何撤銷原來估算的聲明，所以他依然在計算地球年齡的領(lǐng)域里保持著自己的權(quán)威，并且很少有人挑戰(zhàn)他。之后Rutherford的研究就轉(zhuǎn)向了其他方向，而美國的Bertram Boltwood（1870—1927）和英格蘭的Robert John Strutt（1875—1947）繼續(xù)著這一方向的研究。

1906年，Strutt（第四任Rayleigh男爵）發(fā)現(xiàn)地殼中放射性的巖漿巖中的熱量比Kelvin計算的地球散失的熱量還要多。這是Kelvin的支持者們不能忽視的一個證據(jù)。地球確實(shí)有自己的熱源，而且即使地球在降溫，也可能沒有降得如他們原先想的那么快。

經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)和通過與Ruth-

erford的信件交流，Blotwood知道了放射性元素的原子核會在放射現(xiàn)象過程中發(fā)生改變。比如鈾元素或者釷元素會在一系列的衰變反應(yīng)中分解成其他元素（子元素）。1907年，Boltwood發(fā)現(xiàn)經(jīng)過這樣一系列的衰變反應(yīng)，鈾元素會最終穩(wěn)定的衰變成鉛元素。

放射現(xiàn)象就是地球的原子鐘，

Boltwood就是那個讀出這個鐘時間的人。鈾元素轉(zhuǎn)化為鉛元素的速率十分穩(wěn)定。通過測量鈾轉(zhuǎn)變?yōu)殂U這一衰變的速率，Boltwood計算出了一些礦物的年齡是22億年。這些礦物形成于前寒武紀(jì)，而地球的年齡至少應(yīng)該比這些礦物還要老。（來源：科學(xué)網(wǎng)， 2012-11-26）endprint