PATTERSON · CLASSROOM LAB
从测量一块陨石,到追问环境里的铅
四个可暂停的实验。先预测,再操作,最后解释证据的限制。
两种衰变速率,留下不同的时间记录
封闭体系教学模型每组从 1000 个母核开始。曲线显示大量核的期望比例。
U-238 剩余母核
半衰期约 44.68 亿年
U-235 剩余母核
半衰期约 7.038 亿年
终端子核的期望增加
顺序为 Pb-206 / Pb-207;两组各自计数
实线 / 圆点:U-238虚线 / 方点:U-235
这里没有初始铅,也没有迁入与迁出。真实测年需要另外约束初始铅、系统封闭与测量误差。单个核的衰变时间不确定。
模型:N/N₀ = 2−t/T½。常用教学近似参数;不用于复现 1956 年论文核数据。OpenStax 核衰变
让质量的微小差别变成离子束的位置差别
磁扇形质谱原理模型单电荷 Pb⁺ 离子,忽略初速,速度与磁场垂直。
| 离子 | r / cm |
|---|
r² = 2mV / (qB²)
相同 V、q、B:r ∝ √m
质量近似为质量数 × 原子质量单位。真实仪器还需真空、狭缝、离子化、离子电流测量与质量分馏校正。USGS 现代 Pb 同位素测量方法
共同的污染,会让两个不同的样本看起来相似
模拟数据样本原有铅量固定为 1 和 5;两份样本被带入相同的空白。
真实比值
5.00
样本原有铅:5 ÷ 1
测得的表观比值
(5 + B) ÷ (1 + B)
较早样本的空白占比
B ÷ (1 + B)
彩色:样本原有的铅灰色:过程带入的铅
M = S + B。相同的正空白会把表观比值拉向 1。重复测量可以更稳定地得到这个错误比值;要恢复差异,必须降低并可靠估计空白。
所有数值为原创课堂模型,不代表冰芯、海水或古骨实测记录。真实空白可以随取样、处理和仪器状态改变。
五块陨石的数据,能经受哪些检验
1956 年论文真实表格勾选样本后用普通最小二乘拟合,再由斜率作教学复算。
论文报告的年龄
45.5 ± 0.7 亿年
历史论文结论;不随操作改变
当前拟合斜率 m
课堂复算年龄
没有重建正式测年不确定度
污染端元是教学假设:x = 18.70、y = 15.65。f 表示样本中 Pb-204 来自污染的比例;x′ = (1−f)x + f x污染,y′ 同理。它不是整个样本的铅质量百分比。
| 样本 | 参与 | Pb-206 / Pb-204 | Pb-207 / Pb-204 | y 残差 |
|---|
原始数据:Patterson 1956,Table 1。m(t) = (eλ235t−1) / [Rᵤ(eλ238t−1)]。这里没有两轴误差、相关性与正式加权分析;漂亮直线还需要检验共同初始组成、封闭历史与混合等替代解释。