伟大的伽利略

伟大的伽利略

在距今约400年前，著名的意大利科学家伽利略在研究落体运动问题时，觉得落体下落得太快，难以测量它的速度。为此他设计了斜面实验，让物体下落变成了下滑，这样就使速度降了下来。为了测量物体下滑的时间，伽利略设计了一种“水钟”。所谓“水钟”就是下部开口的一个水杯子，并在开口处装上一个阀门，然后把它装满水。当物体下滑的同时，打开阀门，让水流入另一个杯子；当物体滑落到斜面的底部时，就关闭阀门。再改变实验条件继续做实验。在获得了不同的水量后，根据物体下滑时间与漏水量成正比的原理，就可以算出物体下滑所需要的时间相关量。利用放射性物质测量时间的原理也大致与此相似。

利用放射性物质测量，主要是由于放射性具有两个很好的品质：一是每种放射性物质都向外辐射射线，并且不同的放射性物质每时每刻辐射的射线量不同。二是每种放射性物质的半衰期也不同。在利用放射性物质的衰变来计时上，美国科学家利比做出了开创性的工作。

1939年，年轻的利比在研究宇宙线时，将一台灵敏度很高的探测器装在气球上，以测量高空中的某些射线的强度。在全程测量过程中利比发现，在开始时随着气球高度的增加放射性强度也跟着增加，但到了15000米的高空以上时，随着高度的增加，放射性强度反而下降了。这是为什么呢？

经过仔细地研究和分析，利比发现，开始探测到的宇宙线并不是直接来自宇宙空间，而是宇宙射线与大气作用后产生的二次效应。这些宇宙线在大气中与丰富的氮－14相碰撞，产生了具有放射性的碳－14。从化学的角度来看，碳－14与普通的碳－12是一样的。这种碳－14与氧化合，可形成二氧化碳。这种由碳－14形成的二氧化碳也像由碳－12形成的二氧化碳是一样的。它们都可以通过光合作用进入生物体内，并寄存于生物体内。由于生物体的代谢作用，这种碳－14还会排出体外，但同时也会再吸收。这样就保持着一个平衡状态，从而使碳－14维持在一个恒量。

然而，当动植物死去后，这种情况就发生变化了。动植物死去，体内的新陈代谢就终止了。这时与外界交换物质的平衡就被打破了。生物体内的碳－14就要按自身的衰变形式变成了别的元素，碳－14的含量就要不断地减少。如果我们知道这个生物体在活着的时候含有多少碳－14，或活体的碳－14放射性强度，测出这时生物体的放射性强度，再知道碳－14的半衰期，这样就可以测出这个生物体死时距今的时间，进而断定这个生物体所生活的时代。这种方法称为“碳－14鉴年法”，目前它已成为考古学中十分重要的方法。

当然，这样分析之后并不是说，利用碳－14可以方便地测定某些生物体的年代了。实际上这种技术还是比较复杂的。因为生物体的碳－14含量是极少的，大约在1000亿个碳原子中才有1个碳－14原子，因此在处理这些样品时要极其小心。

利比在发明这种探测方法后，在实际应用上也做了一定的工作。在20世纪50年代，利比借助这种方法测定了埃及金字塔建造的年代，他的小组对金字塔内的遗物进行碳－14含量测定，结果所测定的年代与历史记载的年代非常吻合。

利比的这种方法并不只限于考古学研究，他用这种方法还帮助地质学家确定不同地层的年代、冰川的历史、古海洋平面、古海岸线的变迁、火山的年代，以及沉积物沉积的速度；帮助地理学家研究自然环境的演变史、古气候的变迁、土壤的发育过程。当宇航员从月球取回土壤和岩石样品，他也利用放射性探测方法，考察了月球是否存在生命。由于利比在碳－14计时原理上创造出第一个独特的计时工具——核时钟，为此他获得了1960年诺贝尔化学奖。

碳－14测定技术还在经济建设中发挥着作用，如建设大坝、港口、桥梁、大厦以及电站等，要选择一个好的地基。在选择地基时要碰到不同的沉积层，而这些沉积层的结实程度往往与该地层的年代有关。一般来说，年代越久，该沉积层就越结实，承接物体的压力就越大。像意大利比萨城的比萨斜塔就是由于选址不当，地基太软，使塔倾斜。据说，在北京饭店建设期间，当挖到13米深处，发现了两棵直径达1米的榆树倒卧在一沙砾层上，用碳－14技术测定，得知树距今的时间约为30000年。这一地质地层做大厦基础十分好，因此，建筑部门就不再向下挖了，而以此沙砾层做基础，这就大大节约了大厦的建筑费用。