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克莱尔·卡梅伦·帕特森:发现地球年龄的人

时间:2019-08-30 07:22 作者:未知
 

 

 

克莱尔·卡梅伦·帕特森:发现地球年龄的人沈玉龙唐山师范学院化学系,唐山063000摘要 克莱尔·卡梅伦·帕特森是美国地球化学家,1956年发现了目前仍被普遍接受的地球年龄值——45.5亿年;1940年代末发现了含铅汽油带来的环境铅污染问题,促进了在汽油中禁止使用四乙基铅法规的出台。介绍了帕特森的人生经历和科学成就,呈现了其科学探索的过程。关键词 克莱尔·卡梅伦·帕特森;地球年龄;铅污染“地球的年龄是多少”一直都是人们非常关心的问题,也是科学史上最有争议的问题之一,人们利用不同的方法推测地球的年龄。结束数百年来对地球年龄争议的科学家是美国地球化学家克莱尔·卡梅伦·帕特森。帕特森的科学成就一是发现了目前被普遍接受的地球年龄值——45.5亿年,这是20世纪地球化学史上最伟大的成就之一;另一是发现并力主阻止含铅汽油带来的环境铅污染问题,淘汰含铅汽油被认为是20世纪最伟大的公共卫生成就之一。
图1克莱尔·卡梅伦·帕特森Fig. 1 Clair Cameron Patterson1 早年求学 1922年6月2日,帕特森出生于美国艾奥瓦州得梅因市附近的小镇米切尔维尔。他在幼年时期就对科学表现出了浓厚的兴趣,曾问他母亲“为什么水滴是圆的”;当在他家附近的树林里发现动物骨骼时,他会把它们重新拼装起来,判断是何种动物的。帕特森5岁时进入米切尔维尔镇上唯一的一所学校学习,这所学校是一所小型学校,所有年级的学生总共只有100人,他在这所学校一直读到高中毕业[1]。帕特森12岁那年,他母亲给他买了一套化学实验玩具,他便在地下室里搭建了一个实验台和一些架子,建了一个小型家庭化学实验室。当他上九年级的时候,他的一个正在读大学的叔叔给了他一本大学化学实验室工作手册。从那时起,他便在地下室开始自学化学,学习了元素周期表和无机定性分析,做了一些定性分析实验,这是他一生追求化学事业的开始。 1939年帕特森中学毕业后,进入他母亲的母校格林内尔学院学习化学。格林内尔学院是美国一流的小型文理学院。帕特森读大学期间非常喜欢做化学实验,多年后他还记得在大学三年级用重氮化合物做有机化学实验时发生了爆炸的情景。1943年帕特森大学毕业后,进入爱荷华大学攻读物理化学专业硕士研究生,只用9个月便获得了硕士学位。 1944年帕特森硕士毕业时,第二次世界大战正如火如荼。帕特森曾试图参军,但他的硕士导师邀请他一起到芝加哥大学参加曼哈顿计划的研究工作[1]。芝加哥大学是曼哈顿计划的研究中心之一,为了保密把研究室称为“冶金实验室”。芝加哥大学冶金实验室是为曼哈顿计划专门组建的秘密核实验室。帕特森在芝加哥大学冶金实验室主要是利用原子光谱法进行各种铀产品的分析。帕特森在芝加哥大学工作几个月后又报名参军,但因他正从事高度保密的研究工作,被军队拒绝了[1]。随后帕特森被安排去了位于田纳西州橡树岭的克林顿实验室。克林顿实验室于1943年2月破土动工,作为曼哈顿计划铀同位素分离工厂基地,以生产和分离铀和钚为主要目的。在橡树岭,帕特森被分配在电磁分离铀浓缩厂工作,任务是用质谱仪确定铀产品的同位素组成。在那段时间里,他学到了很多新的思想、概念和思维模式。1946年帕特森回到芝加哥大学攻读化学专业博士研究生,开始了测定地球年龄的研究工作。2 测定地球年龄 1946年,帕特森的博士生导师哈里森·布朗从克林顿实验室回到芝加哥大学任化学助理教授,他和一些来自曼哈顿计划的前同事组建了美国第一个研究地球化学的团队。布朗凭借自己出色的直觉把研究课题集中在3个主要领域:通过确定陨石的组成来估算太阳系中元素的相对丰度、通过测量普通火成岩的铀-铅年龄确定地壳岩浆演化的时间进程、通过测量铁陨石中铅的同位素组成确定地球的年龄[2]。因此,布朗要寻找非常熟悉质谱分析法的学生分析古代铁陨石和现代岩石中铅的同位素,而帕特森因为有质谱仪知识和使用背景,被布朗选入了课题组,让他测定地球的年龄。 当时的科学家已经知道,地球包含了各种铅同位素,一些铅是原始的,在地球形成的初始时刻就存在了,一些铅是后来由于铀和钍的放射性衰变而形成的。因此,地球上铅的同位素组成不是静态的,而是不断变化的。通过对现今地球地壳中与地球形成时的铅同位素比例进行比较,就可以确定出地球的年龄。20世纪早期的物理学家已经研究出了计算行星年龄的方程,但是他们不能计算出地球的年龄,是因为不能确定地球形成最初时刻原始铅的同位素组成。一旦这个数据被测量出来,代入方程中便可计算出地球的年龄。布朗提出了一个概念,即铁陨石中的铅是太阳系最初形成时的铅,自太阳系形成以来没有改变,因为在铁陨石中没有铀,不会因铀的衰变而改变。布朗认为铁陨石与地球在同时形成,测定出铁陨石的年代就得到了地球年龄[3]。 1948年,布朗安排帕特森与乔治·蒂尔顿合作,开始进行锆石的年龄测定,这作为测定陨石年龄的前期工作。蒂尔顿在1947年从伊利诺伊大学香槟分校化学专业毕业后,来到芝加哥大学攻读化学专业博士研究生。如果能精确地确定锆石的铅同位素组成,帕特森和蒂尔顿就会知道他们的技术是可靠的,进而可利用相同的技术测定铁陨石的铅同位素组成。锆石是地球火成岩中的一种常见矿物,最初锆石晶体仅含有微量的铀元素,没有铅元素,但是随着锆石的老化,它的铀衰变为铅。通过测量出锆石晶体中微量铀与衰变产物铅的比例,便可计算出锆石的年龄。蒂尔顿负责测量锆石中的铀含量,帕特森负责测量锆石中各种铅同位素的含量。锆石晶体只有沙粒大小,每个沙粒大小的锆石晶体中仅含有百万分之一的铀,而铀衰变为更少量的铅。帕特森使用质谱仪分离和测量铅同位素,很快就意识到他的铅样品受到了污染。他们知道锆石的来源——火成岩的年代,蒂尔顿的铀测量值与特定年代锆石中的铀含量是一致的,而帕特森的数据总是偏向过多的铅含量。按照标准的化学操作方法,他进行了空白实验,发现不仅在空白实验中有铅,有时还会比他们预期的多出200倍。帕特森开始想进各种办法消除样品处理过程中额外铅的来源,最终实现在空白实验中只有0.1 μg的背景铅[3]。1951年6月,虽然帕特森和蒂尔顿还不知道地球的年龄,但他们已经开发出了精确的测量微克级数量样品的技术,确定了锆石的铅同位素组成,并得到实验所用的锆石的年龄为10.5亿年。其后2人获得了芝加哥大学的博士学位。 帕特森博士毕业后继续留在芝加哥大学跟随布朗进行博士后研究,这时他把注意力转向了陨石。1952年布朗接受了加州理工学院的教职,帕特森跟随他来到加州理工学院继续进行博士后研究。帕特森在布朗的帮助下申请到原子能委员会的拨款,建立了铅同位素化学领域的第一个洁净实验室。1953年,帕特森用亚利桑那州迪亚布洛峡谷铁陨石进行分离,终于得到足够的超洁净的原始铅样品,他把珍贵的样品带到阿贡国家实验室做质谱分析。当他完成实验的时候,他知道了陨石、地球和太阳系都有45亿年的历史。1953年9月,他在威斯康星州格林湾由美国国家科学基金会国家研究委员会主办的地质环境中核过程会议上宣布了这一研究成果。1956年,帕特森以《陨石和地球的年龄》为题在《地球化学与宇宙化学学报》上发表论文,将地球的年龄精确到45.5±0.7亿年。这一研究成果发布至今已60余年了,地球年龄只经历了轻微的调整,目前认为地球的年龄为45.4±0.5亿年[4-5],这是令人惊讶的。这一基准性工作是20世纪地球化学史上最伟大的成就之一[6]。