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科學實驗室 / 地球科學
地球科學實驗

放射性定年

岩石裡的放射性同位素是天然時鐘:母核每過一個半衰期少一半、子核跟著累積。量母子比例反推岩石年齡,再挑戰神秘岩石——並搞懂為什麼碳十四測不了恐龍。
t = 0.00 s

母核與子核數量變化

實驗數據

尚無記錄。調整參數、完成一次量測後,按「記錄本次數據」把結果存進表格。

實驗參數

同位素時鐘
半衰期 5,730 年 → 衰變為氮-14(適合數萬年內的考古樣本)
神秘岩石挑戰
數母核 P 與子核 D,用 年齡=半衰期×log₂(1+D/P) 算出年齡再揭曉。

同位素計數

母核 P(藍)
子核 D(橘)
經過時間(真實)
由 D/P 推算的年齡

畫面符號圖例

  • ● 母核、● 子核:放射性原子衰變前/後
  • 母子比例隨時間變化,用半衰期反推年代

實驗任務

  1. 半衰期的意義:按開始,等到母核剩下一半(200 顆)。經過的時間是多少? 再等到剩 100 顆(¼),又過了一個半衰期——每過一個半衰期就砍半,與「現在有多少」無關。
  2. 讀時鐘:暫停在任意時刻,數 P 與 D,用 年齡=半衰期×log₂(1+D/P) 算年齡, 跟「經過時間」對照。注意統計漲落:原子數越少,誤差越大。
  3. 神秘岩石:按「給我一塊神秘岩石」,計算年齡後揭曉。多試幾塊,哪種年齡最難測準?
  4. 為什麼碳-14 測不了恐龍:恐龍化石超過 6500 萬年 ≈ 碳-14 的 11,000 個半衰期—— 母核早就一顆不剩,時鐘「停了」。切到鈾-238(半衰期 44.7 億年)才測得動地質年代。 反過來,用鈾-238 測 5,000 年的木乃伊行嗎?為什麼?

模型與假設

放射性定年:母核以固定機率隨機衰變,數量每經一個半衰期減半:P(t)=P₀·2^(−t/t½)。 封閉系統中 P+D=P₀,故 年齡=t½·log₂(1+D/P)。
三種時鐘:碳-14(5,730 年,考古)、鉀-40→氬-40(12.5 億年,火山岩)、 鈾-238→鉛-206(44.7 億年,最古老岩石與隕石——地球年齡 45.4 億年就是這樣測的)。
假設與簡化:樣本為封閉系統(無母核/子核流失)、初始子核為零; 本模擬 400 顆原子的隨機衰變忠實重現統計漲落,但真實樣本的原子數是 10²⁰ 量級,漲落小得多。