放射性现象的发现

当谈到1898年时，你会想到很多历史事件，比如戊戌变法、美西战争、纽约正式设市、美国兼并夏威夷、意大利足协诞生、特斯拉发明遥控器……在科学史上，这一年也发生了很重要的事情：在巴黎的一所大学任教的居里夫妇（皮埃尔·居里和玛丽·居里）发现了两种新元素——钋和镭。发现新元素就已经很不容易了，一年之内由同样的人连续发现两种新元素，是了不起的成就。更加难得的是，这两种元素都拥有天然放射性，这在当年是科学界瞩目的焦点。

 

天然放射性在当时也是一种新发现的自然现象，是法国的科学家亨利·贝克勒尔在1896年第一次观察到的。贝克勒尔长期以来一直对磷光现象感兴趣。当时，另一位科学家伦琴刚刚发现了一种能够穿透黑纸的不可见射线，也就是X射线。这让贝克勒尔很是兴奋。他觉得X射线和磷光之间肯定有什么联系。于是，他开始着重研究铀的双硫酸盐发出的磷光。他把这种盐放在阳光下，曝过光之后，又用黑纸把它们和感光底片包裹在一起。一段时间后，他去冲洗底片，发现底片上留下了铀晶体的影像。于是他推测，这是铀的晶体吸收太阳能之后发出的X射线，让底片显现出了晶体的图像。

后来有一天，贝克勒尔准备再次重复这个实验，结果不巧的是，那天巴黎是多云天气，阳光时断时续，很影响实验进度。于是他放弃了实验，把材料送回抽屉避光保存。几天后他去冲洗底片。他预计，这一次磷光的强度应该比较小，因为做实验那天有阳光的时间不长。结果没想到，冲洗出来的照片上，晶体的图像却非常清晰。

贝克勒尔非常惊讶，赶紧做了后续的实验。结果他发现，铀不需要在阳光下晒过，就能发射出X射线。这不是磷光现象，而是一种全新的自然现象！就这样，贝克勒尔意外地发现了天然放射性。不过，贝克勒尔发现的放射性是比较微弱的，至于居里夫妇发现的钋和镭，它们的放射性强度要远远强于贝克勒尔用来做实验的铀的双硫酸盐。正是因为这一系列的发现，后来居里夫妇和贝克勒尔一起获得了1903年的诺贝尔物理学奖。后来，居里夫人因为成功提纯了镭元素，又在1911年获得了诺贝尔化学奖。

这便是十九世纪和二十世纪之交的一次物理学大进步——放射性现象的发现。它也对地质学这门科学产生了深远而持久的影响。放射性现象能产生热源，而这些热源不仅帮助地质学家们解释清楚了地球内部热源的来历，让地质学不至于违背热力学第二定律，而且它还有更妙的一个用途，那就是用来测定地质样本的年龄。

在1906年，物理学家欧内斯特·卢瑟福在进一步研究放射性现象时发现：居里夫妇他们发现的镭，会发出的α粒子，也就是由2个中子和2个质子组成的氦核。而且，镭是铀238在经过了一个衰变链后形成的一种衰变产物。而且这条衰变链还会继续衰变下去，而它的最终产品是铅的一种稳定核素——铅206。

卢瑟福是新西兰人，在物理学界享有盛誉，被视作核物理之父，是继法拉第之后最重要的实验物理学家，也是大洋洲历史上的第一位诺贝尔奖获得者。他本科就读于新西兰的坎特伯雷大学，并在学校担任橄榄球校队的队员，是个全面发展的人。英国剑桥大学为了争取这位天才，甚至打破了自己的传统，把原本只提供给自家毕业生的一项科研奖学金授予了卢瑟福，邀请他加盟。

在剑桥大学，卢瑟福加入了卡文迪许实验室，在物理学家约瑟夫·汤姆孙（提出了“葡萄干布丁”原子模型的那位大神）的指导下参与科研。他在汤姆逊的团队里接触到了最先进的科研课题，其中就包括当时刚刚被发现的放射性现象。1898年，在汤姆逊的推荐下，卢瑟福前往加拿大的麦吉尔大学就职。在麦吉尔大学，卢瑟福和另一位科学家弗雷德里克·索迪一起研究放射性现象。

1903年，卢瑟福和索迪就像电影里的神探搭档一样，一起发现了放射性衰变时的两种产物——α粒子和β粒子，并提出了放射性衰变定律，成功将化学反应和原子层面的物理现象区分开来。同时，他们还定义了半衰期以及不同的衰变类型，让原子核的微观变化更加清晰明了。

我们知道，原子核由质子和中子组成，质子带正电荷，中子不带电。一个核素的元素种类根据其原子核中的质子数量（即原子序数）来定义。如果两个核素的质子数量不同，它们就不属于同一种元素。但如果两个核素的质子数量相同，而中子数量不同，它们仍属于同一种元素，此时这两种核素就是同位素。

举个例子，对于一个含有六个质子的核素，无论它含有多少个中子，它的原子序数都是6，因此属于碳元素。如果它恰好含有六个中子，那么它就是碳12；而如果它含有八个中子，那么它就是碳14。碳12和碳14都是碳元素的同位素，它们的元素名称旁边的数字是原子的质量数，等于原子内质子和中子数量之和，这个数值通常用来区分同位素。

核素在发生衰变时会释放粒子，其中一种衰变方式是α衰变，它会释放出两个质子和两个中子，因此核素会变成另一个元素。因为在这个过程中，核素丢掉了两个质子，所以它的元素种类发生了变化。另一种衰变方式是β衰变，核素会释放带有一个电荷的β粒子。这个电荷可以是正电荷或负电荷。如果释放的是一个正电荷，那么核素中的一个质子会变成中子，导致核素中质子的数量减少一个，元素的种类会相应地发生改变。相反，如果释放的是一个负电荷，那么核素中的一个中子会变成质子，导致核素中质子的数量增加一个，元素的种类也会发生变化。

后来，卢瑟福又根据法国化学家保罗·维拉尔发现的一种放射性射线，定义了γ射线。于是，放射性衰变的三大产物——α粒子、β粒子和γ射线——都是由卢瑟福定义的。从铀238到铅206的衰变过程，就是由一系列α衰变和β衰变组成的反应链，其中每个步骤会产生一个新的核素，最终产生的铅206是一个稳定的核素，不再发生放射性衰变。在这整个衰变过程中，一共发生了八次α衰变。换句话说，最初的铀238核素一共丢掉了8个α粒子，最后形成了铅206。如果我们化简一下，就是：

 

地球上的岩石是由不同的矿物组成的，其中一些矿物含有类似于铀238这样的不稳定核素，它们会发生放射性衰变。这些核素在矿物中衰变时，会放出α粒子并产生许多热量。随着衰变时间的增加，释放的热量也会增加。

卢瑟福这个笼统的想法一提出，立马成为了科学界的热搜榜主、超级IP，吸引了一大批研究者前来围观。不过，科研这件事嘛，从想法到实现是需要很长时间的，不会马上出成果。就在卢瑟福的思路还处于初步设想的时候，他的同事索迪就开始思考怎么抢这个风头了。

放射性测年

索迪也是个厉害角色，后来也拿过诺贝尔奖。实际上，同位素能成为一个被正式接纳的科学概念，正是由索迪推动的。当时，开尔文、门捷列夫等大佬们联合起来反对“同位素”的概念，认为它没有道理，就连富有开创精神的居里夫人都摆出了“我先看看再说”的观望态度。这时候只有索迪顶住了压力，用扎实的实验证明了同位素的存在，可谓是科学圈的“抗压小能手”。

索迪是个英国人，毕业于牛津大学。毕业后他被卢瑟福招到加拿大麦吉尔大学担任助手，后来回到英国，先后在格拉斯哥大学和阿伯丁大学教书，并且在放射性的研究上做出了杰出贡献。

第一次世界大战结束后，索迪回到母校牛津大学当教授，可惜的是，他在目睹了世界大战的惨状后，不再热衷于研究放射性现象，因为他觉得这里面蕴含的巨大能量可能会被人用来制造超级武器，从而给将来的战争带来更大的伤亡。不幸的是他的担忧成真了，简直是一语成谶。到了晚年，索迪转而研究起了经济学，尤其是提出了“可持续发展经济学”的概念。然而，由于他抨击银行系统并持有独特政见，主流经济学家们将他视为异类，不肯接纳他。

不过在卢瑟福提出放射性测年设想的时候，一战还没有爆发呢，索迪对这个想法很感兴趣。而且在卢瑟福想法的基础上，索迪还想到一个更简单的利用放射性推测物质年龄的方法，这是因为他发现了一个新的现象：同一衰变链系统中，衰变核素的数量只与剩余的放射性核素数量有关，用公式表达就是：

 

这里的λ代表衰变常数，即某种放射性元素在单位时间内发生衰变的概率；N指的是该衰变系统中存在的放射性核素数量；t是时间；d是微分符号，用于表示N对t的导数。该公式告诉我们：某个放射性核素在单位时间内发生衰变的几率（λ）只和系统里剩余放射性核素的数量（N）有关。也就是说，如果一块岩石或矿物中存在放射性核素，那么在最初的时候，它们的衰变速度会比较快。因为那个时候，系统中剩余放射性核素的数量很多。但随着时间的推移，放射性核素不断衰变，它们的数量会减少，因此衰变速度也会随之降低。

这就好比，你是一位购物狂，最近你的银行账户里充满了钞票，那么你在逛街的时候就会毫不犹豫地买下各种奢侈品。但是，如果你最近刚刚被炒鱿鱼，账户只剩下一点点积蓄，那么你就会开始精打细算，只购买那些真正需要的物品。这个比喻告诉我们，放射性核素的数量和衰变速率之间是相关的。如果你拥有很多放射性核素，那么衰变速率就会很快。

这个比喻不太科学，让我们再用一个简单的模型来说明这个概念。想象一下，有一个圆柱状的水桶，里面装了水，但是底部有个洞，水会从洞里流出。我们假设这个洞的大小不会改变，那么水位越高，流速就越快，因为在密度不变的情况下，水压越高，流速就越快，而水位的高低影响着桶底的水压。当水不断流出时，水位会逐渐降低，流速也会相应地下降，因为底部水压降低了。如果我们把这个水桶比作放射性衰变过程，那么桶里的水位就对应着衰变公式里的核素数量N，而在某一时刻水流出口的流速就对应着衰变常数λ。

现在，我们再假设一下，这个水桶的水位每下降一半所需的时间都是一样的。比如，我们在时刻t1观察到水位在40%，当水位降至20%时，我们再看时间t2，发现它距离t1已经过去了1个小时。当水位降至10%时，我们又看时间t3，发现它距离t2又过去了1个小时。最后当水位只剩下5%时，我们看到的时间是t4，它距离t3的时间也过去了1个小时。

如果我们现在把这个漏水模型还原到放射性衰变里，那么这个水桶的半衰期就是1个小时。也就是说，如果我们有一些放射性核素，那么半衰期就是这种核素中的半数衰变所需的时间，其实也就是放射性核素的活度减半所需的时间。

刚才的模型是一个水桶在漏水，形容的是一种核素的衰变。如果是一整条衰变链，那模型就变成了一连串漏水的水桶，每个漏水的水桶接住上一个漏出来的水，同时自己也继续漏水，直到达到一个进水和漏水平衡的状态。这一连串水桶的模型，就类似于铀238的衰变链，衰变链中的每个不稳定核素就像一个漏水的水桶，它会衰变成下一个不稳定核素。直到出现一个不漏水的桶，这个过程才会停止。对于铀238衰变链来说，这个不漏水的桶就是稳定核素铅206。当整个系统达到平衡时，铀238和铅206的数量比，只取决于铀238的半衰期以及反应发生的时间。

科学家已经在实验室里测得一千克铀238物质每秒产生13个α粒子，然后使用数学方法，推导出该铀238的半衰期约为44.7亿年。这个数据非常有用。如果我们能测得一枚矿物标本中所含铀238和铅206核素的数量之比，并且假设它在形成时不含铅，或只含已知比例的铅，那么我们就能根据实验室里测出的铀238半衰期，计算这枚矿物从形成到现在所需的时间。这就是索迪提出的铀铅测年法。

天选之子锆石

铀铅测年法虽然很有用，但它还是有一些局限性。其中它最大的一个痛点在于：在拿到一块样本以后，我们怎样才能确定，这里面的铅206核素有多少是从铀238衰变而来的，又有多少是样本里原来就含有的？这个问题不解决，铀铅测年法就难以操作，一切的理论都会变成水中月、镜中花，中看不中用。

 

此外，我们也需要考虑到，这枚矿物样本形成之后是否受到了来自外界的铅污染，让一些别处的铅206跑了进去。甚至，在矿物形成以后如此漫长的时间里面，有没有铅206核素从矿物粒逃逸出去了？毕竟地球的历史那么漫长，什么稀奇古怪、诡异无比的事情，都有可能发生。

有聪明的地质学家便开始思考：能不能找一种从一开始就和铅绝缘的矿物样本呢？结果，他们还真找到了一种名叫锆石的神奇矿物，它的晶体结构对铅原子不友好，所以几乎不可能在形成时就自带铅元素。但是它却有可能在初始状态下带着铀元素。这简直就是作为铀铅测年法原料的天选之子！

而且锆石还有一个好处，它的晶体比较坚硬，不容易发生严重的风化，也不怕高温高压，不太容易变质。所以，我们基本上可以放心地认为，锆石里面的铅，都是通过铀元素的衰变产生的。想到这里，地质学家们都兴奋了：你太完美了！就是你了！于是，锆石就成为了做铀铅测年最为常用的矿物样本。

当然了，除了锆石之外，在早期的时候，也有一些其他的矿物被用来做铀铅测年，比如一些稀土矿物。当铀铅测年法被索迪公布出来后，马上就被投入到了实战使用里。地质学家们开始利用这个方法来推测矿物及其所在地质构造的年龄。其中，爱尔兰都柏林大学的那位用钠含量来估计海洋年龄的约翰·乔利首先使用这个方法，测出了一枚稀土矿物标本的年龄。他发现这枚标本的年龄超过了2.4亿年，开了个不错的头。

就在索迪正在奋力铺设铀铅测年的康庄大道时，有另一个人提出了一个新方案。这个人同样不一般，是一个贵族出身的化学家，有爵位的那种，是英国的第三代瑞利男爵，名叫约翰·斯特拉特。他不仅出身高贵，在学术圈也很有威望，是约瑟夫·汤姆孙的老师。

当时，斯特拉特正在伦敦的帝国理工学院上班。他最著名的贡献是发现了稀有气体元素氩。斯特拉特认为，既然铀铅可以用来测年，那我们或许也能用氦和镭的核素比例来做测年？毕竟他对稀有气体比较了解，所以这个想法也不奇怪。但是，他的这个想法需要满足几个前提条件。比如，如果要用氦和镭来测年，就必须假设从矿物形成以来，所有产生的氦都没有从矿物中逃逸。

然而这就像有的人在期末考试前临时抱佛脚许的愿，基本上是实现不了的。为啥呢，因为氦是一种惰性元素，在自然条件下几乎不与其他元素结合，而其单质也是一种气体，因此与铅相比，逃逸的可能性就大得多了！

不过既然有了想法，那还是要去验证嘛。于是他不管三七二十一，就从一组已经用铀铅测过年的地层里，提取了一些富含镭的磷酸盐沉积物，开始了实验。果然，他的实验结果可谓是“竹篮打水一场空”，什么都没测出来。虽然不难猜到这个结局，但我们还是要为斯特拉特辩护一下，他失败的原因不是因为水平有限，而是氦这个元素实在是太容易跑路了。

斯特拉特的实验虽然失败了，但那也是对科学研究的一种积极探索。斯特拉特的儿子罗伯特·斯特拉特也是个科学家，他培养出了一位好学生，而这位学生后来成为了地学界中的大师级人物，他的名字叫亚瑟·霍尔姆斯。对于专家教授来说，有时候某个实验的成功失败并不是最重要的，能够培养出一批批优秀的学生，对科学的发展来说也是功德无量。

亚瑟·霍尔姆斯

霍尔姆斯是英国人，出生在纽卡斯尔。他父亲是一位木匠，给人做橱柜的，据说手艺不错，但是他不想让霍尔姆斯来子承父业，而是想让儿子更有出息一点，所以，他很重视对霍尔姆斯的培养，这个思想觉悟就比当年史密斯他爹要高多了。霍尔姆斯被送去当地挺有名的一所高中上学，在英国那种看重身份的地方，尤其是当时的英国，这是很不容易的。毕竟你一个平民木匠，要送儿子去这种精英学校，难度那是相当的大。

但是好学校毕竟还是好学校，那里的老师是真不错。在上中学的时候，霍尔姆斯的一个老师发现他是个可造之才，尤其是对热力学和地质学有天赋，于是就送给他两本书，一本是讲热力学定律的，另一本是奥地利地质学家爱德华·苏斯编写的关于瑞士的地质地貌的书。

这两本书对霍尔姆斯的人生道路产生了很大的影响。看完书后，他被这些内容深深滴吸引了，从此立志要当一个科学家，尤其是要做热学和地质学结合的交叉方向的研究。他后来的确做到了这一点，提出了地幔对流的模型，这是后话。

话说在1907年，美国的耶鲁大学有个名叫波尔特伍德的化学教授，他收集了一些来自不同地点的含铀矿物，它们所含的铅和铀核素比例是已知的。波尔特伍德用铀铅测年法计算了它们的年龄，但可惜的是，他并没有兴趣去进一步去发掘这些矿物样品的地质学背景。在他看来，测完年龄之后，他的这项课题已经结束了。

当时，霍尔姆斯是伦敦帝国理工学院的本科生，21岁，刚上大三。大部分普通人在大三才刚刚接触到比较高阶的专业课，有时候教材看得云里雾里的，有部分人甚至行方设法混个及格分，一整年就浑浑噩噩地过去了。但霍尔姆斯在大三的时候，已经开始关注地学领域最尖端的技术和研究，这种事儿一般人得到了博士生阶段才会做，可见霍尔姆斯他就不是个寻常人。偶然间得知了波尔特伍德的研究课题及最终结果后，霍尔姆斯痛心疾首，他认为波尔特伍德完全就是在暴殄天物。明明可以继续刨根问底，把这些年龄和地质的背景来综合起来，说不定能获得更大的发现呢，为啥见好就收呢！太可惜了！浪费数据，可耻！

波尔特伍德收集的这些矿物经常是和花岗岩相伴出现的。而花岗岩是直接由岩浆凝结而成的。如果这些石矿物与花岗岩相伴出现，那它们的年龄其实就是所在地层形成的年龄。

霍尔姆斯认为，如果我们总结这些矿物的地质背景，特别是找出它们来自哪个地层，然后查阅它们属于地质年代表中的哪个时期，我们就可以给地质年代表附加确切的年代数据。如果真的做到了，那么地质年代表就不再是相对的时间表，而是具有了数字上的实际意义。换言之，我们就可以用数字来定量地表示地质年代啦！

霍尔姆斯决定主动从耶鲁大学接手这项工作，将其继续推进。在罗伯特·斯特拉特的帮助下，他成功地获得了那批矿物标本，并很快开始了自己的实验研究。他不仅重新计算了波尔特伍德的年代测定结果，更正了一些错误，并重新调查和确认了这些矿物样本的来源地。他总结了每个样本所在的地层以及其他地质背景。

果然，霍尔姆斯的努力没有白费。他发现这些含铀矿物的来源地各不相同，年龄差距很大，分布也很广泛，涵盖了各个不同的地质年代。根据他的总结，这些矿物的年龄和所在的地层被一一对应了起来，形成了有史以来第一份带数字年代的地质年代表。这真是一项伟大的成就！

在霍尔姆斯的这份地质年代表中，数值年代信息并不完整，因为当时他拿到的那批矿物样本并不能覆盖所有年代。不过，将部分地质年代和具体数值年龄对应起来已经是从零到一的重要突破，值得赞扬。他对应上的年代包括：

更新世：100万年前

上新世：250万年前

中新世：630万年前

始新世：3000万年前

石炭纪：3.4亿年前

泥盆纪：3.7亿年前

奥陶纪：4.3亿年前

此外，霍尔姆斯还发现，这批矿物里居然还有一块是来自太古宙的，它的年龄超过了14亿岁！这远远超出了当时人们对地球年龄的认知，完全刷新了科学家们的观念。

1913年，霍尔姆斯把这些结果发表在《地球的年龄》一书里，引起了轰动，不亚于当年达尔文发表《物种起源》时激起的波澜。这个半途捡回来的研究课题，让年轻的本科生霍尔姆斯一战成名。霍尔姆斯，世之奇才也！

霍尔姆斯的人在囧途

我们简单地介绍一下这位年少有为的霍尔姆斯后来经历了怎样的故事。在发表了第一版《地球的年龄》以后，霍尔姆斯在其职业生涯的大部分时间里都在改进地质年代的校准。后来，他又在1937年出版了《地球的年龄》一书的修订版，并在书中更新了地质年代尺度。

霍尔姆斯很看好当时并不被主流学界认可的大陆漂移学说，并试图用放射性衰变产生的热能，来解释大陆漂移的能量来源，因此他提出了“地幔对流”的早期概念，这个概念后来在大地构造学的发展史里起到了重要作用，所以对大地构造学来说，霍尔姆斯也立下了汗马功劳。

在霍尔姆斯第一次研究含铀矿物的时候，他还是个本科生。其实在他毕业之后，他并没有选择留在学术圈，而是决定去赚钱。但是比起在学术界的成果斐然，他赚钱这个经历非常的失败，甚至败得很离谱。

霍尔姆斯成绩优异，在毕业典礼时，他当场被一家矿业公司录用了。进了这家公司以后，他被派去非洲的莫桑比克探矿。然而天有不测风云，他在非洲生病了——可能是痢疾或者疟疾之类的在非洲常见的传染病，而且他的病情很严重，甚至已经无法写信、无法和公司取得联系。

虽然得到了当地人的救助保下命来，但是霍尔姆斯和他的公司失联了。在英国这边，久久没有音讯的霍尔姆斯被视作法律意义上的死亡。人们根据常理，推测他应该是在野外出了意外，死在了茫茫的非洲大草原上，不知是哪只狮子或者鳄鱼的盘中餐了。于是，伦敦的警察局给他开好了死亡证明，他的亲戚们还瓜分了他为数不多的遗物。

然而时隔半载，霍尔姆斯在非洲奇迹般地痊愈了。在当地人的帮助下，霍尔姆斯来到了海滨港口，找到了一艘开往英国的船，自己坐船回到了伦敦。他的亲戚们很尴尬地发现，霍尔姆斯居然死而复生了！在此久别重逢之际，不知道那些参与瓜分霍尔姆斯财产的亲戚们作何感想。

回到英国之后，霍尔姆斯重返母校帝国理工学院进修，拿到了地球科学的博士学位。再度从学校毕业之后，他又加入了一家石油公司。这次，他被派去缅甸做石油勘探工作。哪晓得，命运再次和霍尔姆斯开了个玩笑——他人还在缅甸呢，这家公司却倒闭了。

工钱还没结算呢，公司倒闭了，这已经够倒霉了。但更倒霉的是，公司倒闭了却居然没人通知霍尔姆斯，因为公司里的人都把他给忘了！霍尔姆斯孤悬在外，继续在缅甸的深山老林里寻找油田，做着注定没有回报的工作。直到三年之后，他才得以回到英国。在这期间，他的女儿还因为恶劣的生活环境，患病死在了缅甸。

霍尔姆斯备受打击。他很受伤，真的很受伤。从那以后，他决定再也不去找矿找油赚钱了，他要回归学术圈。这就对了，从此他的人生返回了正轨——这么优秀的大脑，就应该用在科学研究上。他去杜伦大学找了份教职工作，后来又跳槽到了爱丁堡大学，最终成为了学术界的一代大师。

其实在霍尔姆斯的时代，科学家们已经见识过了铀铅测年法的优点——这的确是个划时代的科学进步。但是，它也有一个让人头痛的缺点，就是它所需的锆石矿物比较难找。古人云：巧妇难为无米之炊。面对这个难题，霍尔姆斯也没什么好办法。他只能尽可能多地去利用已有的矿物样本，想尽办法从中榨取更多的结果。

1947年，霍尔姆斯汇编了显生宙不同时期、不同地点的沉积物厚度，并将其与铀铅测年的结果进行对应，从而估算出地质年代表里每个纪的长度。在做这件事的时候，他意识到：许多矿物来自非常复杂的地质构造，比如像阿巴拉契亚山脉一样经过了多次造山运动的地区。

阿巴拉契亚山在地球历史上经历了多次造山运动，包括阿勒格尼、蓝岭、欧扎克和岭谷地区，每个区段都对应着不同的地壳活动。过去，这座山曾多次隆起和侵蚀，其内部充满了褶皱和断层等多种地质构造。这些构造使矿物位置发生了后天的变化，导致地层和地质时间很难完全对应。因此，霍尔姆斯的研究在当时没有成功。

在这个关键时刻，明尼苏达大学双城分校的地球化学教授阿尔弗雷德·尼尔挺身而出，他专门为铀铅测年改进了一种重要的仪器——质谱仪。质谱仪是一种能够分离和检测样品中各种同位素含量的仪器。其基本原理非常简单：将带电的粒子流发射到一个磁场中，让磁场与移动的带电粒子之间产生相互作用力，使粒子流发生偏转。带电粒子的质量决定了偏转轨迹的半径，这样就能将不同的核素按质量分开。

尼尔改造了更适用于铀铅测年法的质谱仪，使得测年结果的精度比以前有了显著提高。他的工作完成后，包括霍尔姆斯在内的许多专业人士都会前往明尼苏达大学借用这台仪器来测量标本中的同位素分布。霍尔姆斯利用这台新仪器重新测定了来自世界各地的岩石样本的年龄。

根据这台质谱仪得出的结果，霍尔姆斯发现一些地球岩石的年龄明显超过了10亿年，甚至有些可以达到30亿年。到此为止，从前由开尔文的热学模型、海洋盐度测算以及地层柱沉积率得出的“地球年龄似乎并不太长”的结论，在铀铅测年的铁证下纷纷不攻自破。

在1950年代中期，美国芝加哥大学的天文学教授（也是田纳西橡树岭国家实验室的研究员）克莱尔·帕特森在研究陨石时发现，来自地球不同区域的岩石样本的铀铅核素比例与他研究的陨石基本一致，这表明陨石和地球属于同一个铅同位素系统。

既然太阳系各个天体的形成时间几乎一致，那么太阳系里面含铀元素较少的铁陨石就能够被用来推算地球的年龄。帕特森于是找到了一些铁陨石的样本，将它们带到明尼苏达大学，利用尼尔改进的质谱仪对这些陨石进行了详细的铀铅测年，发现这些陨石的年龄大约是46亿年，比霍尔姆斯测出的最古老的地球岩石还要古老。

因此，帕特森得出结论：霍尔姆斯测出的30亿年，大致是地球地壳形成的时间，而地球整体形成的时间应该与这些铁陨石的年龄差不多，也就是说地球诞生于46亿年前。这个结论已经被主流科学界所公认。

其他的测年方法

在1960年代，出现了两种新的放射性测量方法：钾氩测年法和铷锶测年法。这些方法与铀铅测年法的原理相似，但所需同位素存在于一些常见的富钾矿物中，例如常见的云母和碱长石。

后来，钾氩测年法被升级为氩氩测年法，利用氩39和氩40同位素的比例来测年，可以得到更准确的结果。到二十世纪后期，放射性测年技术突飞猛进，成为地球科学不可或缺的一部分。更多的测年法被发明出来，其中最为特殊的是人造核素——铯137测年法。

铯137是一种放射性同位素，来源于核爆炸。1945年，美国在新墨西哥州的沙漠里引爆了第一颗原子弹，随后又在实战中对日本咣咣扔了两颗，拉开了核武器时代的序幕。从那时起，美国和苏联等军事强国在世界各地引爆了一颗又一颗核弹，形成了大量的铯137。这货会随着大气环流扩散到世界各地，然后随着雨水或下沉的风落回到地面上，被新形成的土壤和沉积物吸附。

铯137的半衰期约为30年，它是很多辐射病的元凶首恶，却在地球科学界找到了自己的用武之地。为啥呢？铯137在沉积物中留下的信号，形成了完整的时间序列曲线，它的分布和沉积物的形成时间有关。只要我们查到各国引爆核弹的时间，就可以在近期沉积物中找到对应的时间锚点。

比如，沉积物中第一次出现铯137的时间是日本挨炸的1945年；而铯137峰值对应的是1963年，因为那年美国、苏联和英国签订了《部分禁止核试验条约》，从第二年开始全球的核试验频率有所下降。

就这样，铯137这种危害巨大的核素却意外地成为了一种新的测年工具。通过研究河流和湖泊沉积物中铯137的含量，我们可以得到这些地区的沉积速率等信息。

除了铯137之外，还有许多同位素，如碳14、铍10和铝26等也被用于测年。有了这么多新的测年方法，科学家可以选择更多的测年样本，并更大规模地为地层赋予年代值，以修正地质时间标尺。新一代科学家还深入研究了地质过程中的同位素逃逸现象，并以此修正了测年的计算结果。考虑到有多少核素在地质变迁过程中从样本中逃逸，这可以使测年结果更可靠。

当然，放射性测年不是万能的。每种核素都有自己的有效范围，这是根据每种核素的半衰期来决定的。比如，碳14的半衰期为5730年左右，它一般被用来测量比较近期的考务文物及动植物遗骸的年代，有效时间范围的上限大约为五万年。如果一个样本的年龄超过了五万年，那么它所剩余的碳14数量就十分稀少了，这就导致它的测年结果不再有效。所以，在选择测年方法的时候，也是需要对症下药的。

测年法	有效范围	应用对象	分类
铯137测年	1950年代以来	近期的湖泊、河流沉积物	人造核素测年法
光释光测年	几百年到10万年前	岩石和矿物、考古文物	释光测年法
热荧光测年	100年到10万年前	岩石和矿物、考古文物	释光测年法
地衣测年	100到1000年前	地貌、地震遗迹、人文遗迹	宇生核素测年法
铝26测年	1300万年前	冰川地貌、洞穴沉积物、地质构造	宇生核素测年法
氯36测年	10万至100万年前	地下水	宇生核素测年法
铍10测年	1300万年前	冰川地貌、洞穴和海洋沉积物	宇生核素测年法
碳14测年	1000到50000年前	考古文物、动植物遗骸	宇生核素测年法
钾-氩测年	10万至10亿年前	岩石和矿物	原生核素测年法
裂变轨道法	1亿到20亿年前	岩石和矿物	原生核素测年法
铷-锶测年	30亿年前	岩石和矿物	原生核素测年法
钐-钕测年	25亿年前	岩石和矿物	原生核素测年法
氩-氩测年	10万至30亿年前	岩石和矿物	原生核素测年法
铀-铅测年	距今100万年至45亿年	岩石和矿物	原生核素测年法
铀-钍测年	50万年前	岩石和矿物	原生核素测年法