通过捕获原子认识全球的地下水原子阱痕量分析方法能检测同位素丰度低

原子阱痕量分析方法能检测同位素丰度低至10-16的原子，实现可靠的定年。

利用放射性氪同位素进行定年的梦想始于 1969年，瑞士伯尔尼大学的Loosli和Oeschger首先发现了空气中存在 81Kr。这种半衰期为23万年的核素由宇宙射线产生，在大气中分布十分均匀，同位素丰度约6×10-13。小部分氪气会溶于水或被冻在冰里，其中的 81Kr由于衰变将简单地随着时间而减少，因此它对测定 10万到 100万年间水或冰的年代十分理想。而此年代范围超出了 14C(半衰期为 5700年)所能应用的范围。

四十多年来，物理学家们曾经尝试了各种办法来实现 81Kr测年。一种全新的方法——“原子阱痕量分析方法(ATTA)”，从 15年前起就在美国阿贡国家实验室逐渐发展起来，并建成了 ATTA-3装置。它目前每个月测量约 10 个氪气样品，而每个样品提取自约 200 升的地下水或 100 公斤的冰。它的应用开扩了研究方向，并将带来许多全新的认识，尤其是在气候变化研究以及水资源管理方面。

ATTA 方法利用激光原子阱来捕获特定的同位素原子，进行原子计数。激光的频率准确地匹配目标同位素原子的跃迁频率，使得激光仅和该同位素原子强烈地作用，并实现捕获。一个被捕获的原子将不断地散射光子，成为一个明亮的光点，从而被相机记录下来，其特征又如此明显，使得绝不可能发生误报。

除了 81Kr，地球大气中还包含另外两种长寿命的惰性气体同位素：85Kr，半衰期为10.8年，同位素丰度约2×10-11，产生于核裂变反应，主要在核燃料再处理时进入大气；39Ar，半衰期为 269 年，丰度约 8×10-16，由宇宙射线在大气中产生。这两种核素也可用于地质分析，并覆盖不同的年代应用范围。ATTA 实验装置可以准确无误地挑出同位素丰度仅 10-16的 39Ar原子，而不受其他任何原子或分子的干扰。然而为了达到实际应用的要求，还需通过样品预富集等方法，将39Ar探测效率再提高10—100倍。

ATTA 方法将为从冰川到火山研究的诸多领域提供全新的机会：

极地冰芯研究，可以帮助地质学家们重现早至 80 万年前地球的气候以及大气成分。古冰不仅存在于冰层深处，还有很多因剥蚀作用而暴露在冰层表面。这些表面的古冰可以像深层冰芯一样，用于古气候研究。在2012年，由冰川学家和物理学家组成的一个联合小组，用 ATTA-3 分析了南极泰勒冰川的样品，证实了对古冰81Kr测年的可能性和准确性。

洋流循环是地球气候动态系统的主要组成之一，其典型的区域性循环周期恰好和 39Ar的半衰期相当。因此，39Ar测年能让科学家们做出更高分辨率的洋流分布图。系统性地测量溶解在洋流中的 39Ar，并和 14C数据结合在一起，能填补在深层洋流循环和混合认识上的一大空白，它还可以帮助海洋学家更好地预测海洋中封存的二氧化碳。

放射性稀有气体同位素测年在水文学领域已经取得了很大进步。通过对大量水井所提取的样品进行测年，水文学家可以绘制出整个水系的地下补给图，从而更好地理解、甚至预测自然和人类活动(如抽取地下水)对地下含水层的影响。这将有助于更好地管理和利用水资源。利用 ATTA 测81Kr的方法，已经先后测量了非洲努比亚含水层、澳大利亚大自流盆地和南美瓜拉尼含水层，所得数据成为建立水流模型的基础。水文学家们正计划对世界主要水系进行采样和 81Kr测量。此外，在美国新墨西哥州的核废料封存区，81Kr测量还帮助检验了其地下水的隔离性。科学家们还能利用半衰期较短的 85Kr，评价年龄在 60年以内的浅层“年轻”地下水的流动和受化学污染的影响。进一步发展ATTA方法，将使得 39Ar测年也成为地下水研究的标准工具。对于100—1000年这个十分重要年代范围，39Ar是目前唯一可用的示踪剂，因此其意义不言而喻。

(中国科学技术大学胡水明编译自 Zheng-Tian Lu. Physics Today, 2013,(3): 74)

本文选自《物理》2013年第3期

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