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第39章 利比的故事

威拉德?弗兰克?利比(WillardFrankLibby,1908~1980),美国放射化学家。出生在科罗拉多州格兰德瓦利。毕业于加利福尼亚大学伯克利分校化学系,1933年在该校获博士学位,留校任教直到1941年。1941~1945年在哥伦比亚大学战争研究部从事气体扩散法分离铀同位素的工作。1950年当选为美国科学院院士。1950~1962年任美国原子能委员会委员。1959年后任加利福尼亚大学化学教授兼地球物理与行星物理研究所所长,也是海德堡科学院院士,美国哲学会、物理学会、化学会、地球物理学会、地球化学会、航空与航天学会会员。

主要成就是发明用放射性碳14测定地质年代的方法,给考古学、人类学、历史学等领域以极大的影响。

测定地质年代

地球的年龄至少已有46亿年,在漫长的地球演化历史中,地壳经历了种种地质作用和“地质事件”,如地壳运动、岩浆活动、海陆变迁,等等。时间的概念,也就是地质年代,对于研究地质作用及其产生的地质事件是极为重要的。

如何测定地质年代呢?

地质年代有两种表示法。一种为相对地质年代,即利用地层层序律、生物层序律以及切割律等来确定先后顺序;另一种为同位素地质年龄,即利用岩石中某些放射性元素的蜕变规律测算岩石形成的年龄,也称绝对地质年代。

而后一种相对更为科学,在这个领域不断有人有新的发现。

利比在研究中发现,宇宙线与地球大气中的元素通过核反应产生的中子再和氮14作用,能生成碳14(半衰期为5730年)。

碳14具备一个的性质,那便是它产生的速率是恒定的,它以二氧化碳的形式参与生物界一切生命过程中含碳物质的变化,使这些含碳物质均匀地和碳14混合。如果生命结束后的物体处在良好隔离的状况,则其中的碳14含量会随时间减少。

这恰好可以应用于考古学,因为通过稳定碳和碳14相对含量的测定可以准确算出物种死亡的时间,进而更准确地测定地质年代。

1950年的一天,利比用放射性碳测定法测定埃及的一座高146.5米、底面边长约1230米,由200多万块重约25吨的大石块垒成的金字塔,所测结果和历史记载的年代相符,人们把利比的这项发明誉为“考古学时钟”。

由于这一贡献,他于1960年获得诺贝尔化学奖。

今天,碳14测年法已经得到了良好的应用。由于它的可靠性,为解决第四纪沉积物的测年难题提供了一条新途径。

气体扩散法

制造原子弹的材料是铀235,它在天然铀中只占0.7%,其余占99.3%的是铀238。铀235是制作原子弹的关键。

自从铀235被分离出来以来,气体扩散的研究不断取得进展。到1942年,分离铀同位素已经有了三种方法:英国气体扩散法、美国气体扩散法和离心力法。

而其中第二种方法也得益于利比的研究。在哥伦比亚大学战争研究部工作期间,他孜孜不倦于该项研究。

气体扩散法是一个崭新的方法。这种方法是把铀气体——如被高压泵打出的六氟化铀气体,喷射到一块多孔的阻挡板上,气体中较轻的铀235会比相对较重的铀238更快穿过去。

相形之下,两种气体扩散法中尤里的方法——英国气体扩散法应用得更加广泛。这一方法的关键部位是阻挡板,它是一块多孔的金属薄板或薄膜,每平方英寸上有上百万个微孔。这些金属板被做成管子,然后被密封在容器中。整个装置被称为扩散器。当气体即六氟化铀被泵打进这些管子时,六氟化铀气体就开始被分离,通过4000多次重复分离,最终才能得到纯度为99%的铀235。

利比主要研究辐射化学,特别是热原子化学、示踪技术与同位素示踪。另外,利比对研制第一颗原子弹、宇宙的探索、环境科学、气候变化预测、地震预报、消除污染等也有贡献。他还在1947年提出了热原子反应的刚性球弹性碰撞模型,又称利比模型。