放射性元素
在日常生活中，我们通常用时钟和手表来计量时间。但在科学研究和技术测量中，有时要求测定短至百万分之一秒内发生的过程，有时又希望测定远至几十亿年前发生的历史事件。在这些情况下，就需要使用各种特殊的计时机构。但是，无论哪种计时机构，都有一个共同的特点，就是它们的运行规律必须是恒定的。
放射性同位素的衰变是一种自发进行的核过程，衰变的速率恒定不变，且不受一般的物理和化学条件的影响。所以放射性同位素也可用来计量时间，每种放射性同位素都好像是一架天然时钟。在放射性现象发现后不久，皮埃尔·居里和卢瑟福很快就领悟到了这一点。后来，逐渐建立起了同位素年代学这一门学科，目前它已渗透到天文学、地球科学、考古学等许多领域。这里只是扼要介绍最重的天然元素铀在这方面所起的重要作用。
放射性同位素是如何起到天然时钟的作用的呢？我们知道，放射性同位素衰变掉一半所需要的时间称为半衰期。每种放射性同位素都有自己特征的半衰期，例如铀238的半衰期约为45亿年，铀235的半衰期约为7亿年，而铀234的半衰期约为25万年等等。假定某放射性同位素原有N个原子，那么经过一个半衰期后就衰变掉一半，剩下0.5N个原子；再经过一个半衰期又衰变掉剩下的一半，就只剩下0.25N个原子了……，依此类推，一直到全部衰变掉为止。
这样，知道了放射性同位素原有的原子数、衰变剩下的原子数和衰变常数（它的物理意义是单位时间内发生衰变的原子数），即可很方便地算得它所经历的衰变时间。对于历史事件的年龄测定而言，原有的原子数已无法直接测定了，但是剩下的原子数是知道的。如果衰变生成的原子是稳定的，不再发生衰变，那么它的原子数也是可以直接测定的。
同位素年龄测定法已在许多领域中得到了广泛的应用。但是这种方法有一个要求，就是所使用的放射性同位素的半衰期要与欲测量的年龄相当，既不能太长，也不能太短。否则不是测不准确，就是根本无法测量。这是因为，若半衰期太长，则放射性同位素衰变生成的原子数太少了；若太短，则早就全部衰变掉了。
因此，对于古老地质年龄测定而言，所使用的放射性同位素的半衰期应与地球的年龄（约45亿年）相当，即在几亿年到几百亿年的范围内。符合这一要求的放射性同位素只少数几种。铀238和铀235的半衰期分别为45亿年和7亿年，它们正是属于最适合于测定地质年龄的放射性同位素之列（其他还有钾40、铷87和钍232等）。
我们知道铀238经8次α衰变和6次β衰变，最终衰变为铅206；铀235经7次α衰变和4次β衰变，最终衰变为铅207。由于铀放射系和锕铀放射系的各中间成员的半衰期，与其始祖同位素铀238和铀235的半衰期相比要短得多，因此对于年龄测定来说，可以把铀看作是直接衰变成了铅。于是，通过岩石中铀238的量和铅206的量的测定，或通过其中铀235的量和铅207的量的测定，就可根据年龄公式方便地计算出岩石（或矿物）的年龄。这种年龄测定法基于铀量和铅量的测定，所以称为铀—铅法。
铀衰变成铅时，放出的α粒子就是氦的原子核，它们捕获两个电子就成了氦原子。因此，通过岩石（或矿物）中铀量和氦量的测定，也可以把年龄计算出来。这种方法叫做氦法。
另外，铀238和铀235这两个同位素目前在岩石（或矿物）中的比值是恒定的（为137.8），根据简单的推导可知，只要知道了铅206和铅207的比值，也就可以计算出年龄来。这种年龄测定法不需测铀，只需测铅，所以称为铅法。
以上讲的是铀—铅法、氦法和铅法的一般原理，在实际测定年龄时，当然还要考虑一些复杂的情况，例如在岩石（或矿物）形成时，可能原来就含有一些铅或氦，铀、铅或氦在各地质时期有可能丢失或加进等等。这些因素都必须用适当的方法加以修正。铀在地壳中广泛分布，存在于多种岩石中，所以基于铀的年龄测定法适应性很强。
铀234是铀放射系的一个中间成员，它在天然铀中只含约0.0055％。不过铀234在地壳中的总量，比某些稳定元素如氙在地壳中的总量还多，与稳定同位素铼185差不多，比金只低一个数量级。由于铀234的性质很平常，很长时间内没发现它有什么实际用途。但近年来，在年龄测定方面却找到了它的应用价值。
上面讲过，同位素年龄测定法要求放射性同位素的半衰期与欲测对象的年龄相当，由于这个原因，一百万年左右的年龄数据一直很缺乏。铀234的半衰期约为25万年，所以铀234的年龄测定法正好可以填补这一空白，现在在这方面已经取得不少成果。
铀238（及铀235）除了发生α衰变外，还发生自发裂变。它的自发裂变半衰期约为一亿亿年。自发裂变产生的裂变碎片会使晶格发生损伤，通过适当的化学处理可使之显露出来，一般称之为裂变径迹。借助于显微镜或甚至凭肉眼，测定了矿物或其他样品的径迹密度，就可以计算出年龄来，称为裂变径迹法。
由于裂变径迹法可对单个径迹进行计数，所以它有一个突出的优点，就是测量范围很广，既能测定长至几十亿年的年龄，又能测定短至几百年的年龄。我国科学工作者就用这种方法首次对北京猿人的用火年龄进行了成功的测定。
下面，我们来谈一谈很有趣味的地球年龄和元素年龄的测定问题。
关于地球的年龄，历史上曾有过热烈的争论。有人认为地球是永恒的，地球的年龄是无限大的。但由天文观测得知，宇宙中的星球都处在不同的发展阶段，有新生的、成年的、衰老的，难道只有地球是例外，是永恒的吗？这种看法显然是不符合客观实际的。
那么，地球的年龄有多大呢？1654年，爱尔兰的一位大主教引经据典，居然考证出地球是在公元前4000年10月16日上午9时，由上帝创造的，这当然是无稽之谈。
十九世纪后半叶，许多科学家从不同的角度出发，对地球的年龄作了估计。例如赫尔姆霍兹从太阳热的持续时间考虑，计算出地球的年龄为二千二百万年；凯尔文根据地球是由炽热的液体冷却凝固而成的假定，得出地球的年龄是二千万到四千万年；达尔文认为月球可能是从地球分裂出去的，由此计算出地球的年龄是五千七百万年。
这些年龄数值只有地球实际年龄的百分之—左右。当时的许多地质学家则认为地球的年龄要比这些数值高得多。例如，1893年里德根据沉积速率的研究，计算出地球至少已存在6亿年。但此值仍偏低很多。直到同位素地质年龄测定法出现以后，才使人们有可能对地球的年龄作出比较科学的回答。
铀是唯一含有两个适于作地质年龄测定的长寿命放射性同位素的元素，它在用作地球年龄测定时，具有独特的优点。基于铀的地球年龄计算公式表明，需要知道三组数据：目前铀同位素的比值；目前铅同位素的比值；地球形成时铅同位素的原始比值，即可。第一组数据是已知的，目前铀238和铀235的比值为137.8；第二组数据是可以直接测定的。但是第三组数据，即铅同位素的原始比值却并不那么容易确定。开始时，根据地球的铅同位素数据来进行计算，所的数据取得了比较满意的结果。
陨石是从哪儿来的？也许有很多读者没有亲眼看见过陨石，但一定领略过流星的神奇景象。在宁静晴朗的夜晚，淡淡的银河横贯长空，群星闪烁。忽然间，好像有一颗星星离开了天空，默默地在苍弯下划过，消失在天边。这转眼即逝的流星，实际上是从太空闯入地球大气层的尘埃或小石子，它们与空气摩擦生热，燃烧发光。极少数很大的石块没有烧尽而掉到地面上来，就是平常所说的陨石。
陨石分石陨石和铁陨石两大类。有一种假说认为，大部分陨石是太阳系里一颗行星炸裂后形成的碎块，至于这颗行星炸裂的原因，目前还不大清楚。但是这颗行星差不多与地球同时形成，且与地球相类似，外层是岩石圈，中心有个铁核，因此石陨石相当于地壳物质，而铁陨石则相当于地核物质。陨石物质成分的分析结果表明，铁陨石中铀含量极为微小。因此假定铁陨石中的铅不含有由铀衰变而来的铅，而相当于地球形成时的原始铅。
在铅中，一般含有四种铅同位素，即铅206、铅207、铅208和铅204，其中铅204是非放射性成因的，它的量不随时间而改变，因此通常取作铅同位素比值的参比标准。铁陨石中有一种矿物叫陨硫铁（主要成分为硫化铁），其铅206与铅204的比值为9.46，铅207与铅204的比值为10.29。采用这组数据作为铅同位素的原始比值，算得的地球年龄为45亿年左右。
当然，铁陨石中的铅同位素比值究竟是否与地球形成时的铅同位素比值相同，需要进一步研究证实。但在目前，在所有的地球年龄数据中，这个结果是论据最足、最普遍为人们所接受的。
地球是在大约45亿年前形成的，那么更有意思的是，组成地球本身的元素是否有一定的年龄呢？究竟有多大的年龄呢？著名的核物理学家卢瑟福首先回答了这个问题，他在1929年第一次科学地测定了元素的年龄，这个元素就是最重的天然元素铀。
要确定铀的年龄，关键是要知道铀形成时的原始同位素比值。知道了这个数值就可方便地计算出铀的年龄来。譬如说，假定铀238与铀235的原始比值为1，则可算得铀的年龄为60亿年；原始比值为2，则铀的年龄为52亿年。
不过，铀形成时的原始同位素比值要比地球形成时铅的原始同位素比值还难于确定。不同的方法所推得的数值有很大的差别，比较合理的数值为1.64，或1.97，或1.80，由此得出的铀的年龄为55亿年左右。这个数值与其他方法估算的元素年龄数值是大致吻合的。
卢瑟福在1929年算得的铀年龄约为34亿年，此值与现代的数值还相差一段距离。不过，这已经是难能可贵的了，因为在当时铀235还没有被发现，更无从知道它的半衰期究竟是多少了。
现在，我们可以着手编制一张古老历史的年表了，为了完整起见，我们把银河系的年龄也列在表里：银河系的年龄约120亿年；某些元素的年龄约55亿年；地球的年龄约45亿年；地壳的年龄约35亿年。编制这张历史年表，铀在其中起着重要的作用，铀真不愧为一架优良的天然时钟。
由于天体演化和地球起源等问题都还处于假说阶段，因此要科学地回答地球年龄等一系列问题都还存在不少困难。但毫无疑义，随着科学技术的发展，这些问题必然会越来越清楚，假说将由于科学根据越来越充分而发展成为科学理论。铀作为天然时钟，必将在这一重要领域中始终起重要的作用。
