钾氩定年法

钾 - 氩年代测定法（Potassium-Argon dating），简称钾氩法、K-Ar测年（K-Ar dating），是在地质年代学和考古学中，利用放射性来测定年代的方法。它是利用钾（K）的同位素会经由放射性衰变变成氩（Ar）的性质来测量。钾是一种常见的元素，存在于在许多物质中，如云母，粘土矿物，火山灰。⁴⁰Ar存在于液态的岩石时，会因高温和流体而逃脱至大气中，但当岩石凝固（再结晶）时，⁴⁰Ar便会依旧从⁴⁰K衰变，并随日子流逝而增加，而且无法逃脱出来。通过测量⁴⁰K剩馀量的比例来计算从结晶到现在的时间长度。⁴⁰K有很长半衰期，使用的方法能计算年龄长达几千万年以致于上亿年的样本。

在快速冷却的熔岩中，由于冷却过程很快的降低到铁的居里温度以下，使得钾 - 氩年代测定法能够以其为十分理想的样品求出当时的磁场的方向和强度。由于这个方法十分理想，地磁极性的时间和尺度主要使用K-Ar测年来进行校准。

衰变过程

钾元素（K）在自然界中存在3种同位素 - ³⁹K（93.2581％）、⁴⁰K（0.0117％）、⁴¹K（6.7302％），³⁹K和⁴¹K是稳定的。

放射性同位素⁴⁰K会衰变成⁴⁰Ca或⁴⁰Ar，其半衰期为1.248×10⁹年。 有89.1％的机率会通过发射电子（负β衰变）转换为稳定的⁴⁰Ca。另外10.9％的机率会捕获电子转换为稳定的⁴⁰Ar。

氩气（Ar），是一种稀有气体，存在于大多数岩石样品中，这对于年代学有很大的帮助：因为他不会和岩晶中的其他原子结合。当⁴⁰K（钾-40）衰变成⁴⁰Ar（氩气）后，其原子会保存于岩石晶格内，因为它的直径比在矿物晶体的其它原子之间的键结还要长。但当压力或温度的产生变化时，像是熔融岩浆状态下，由于大多数岩石晶体融化，所以⁴⁰Ar原子会逃逸出去，而大部分的⁴⁰Ar岩浆冷却重新变成固体岩石之前，不会再被岩石晶体捕获。岩浆的重新结晶后，下一轮的⁴⁰K衰变又会重新开始，而⁴⁰Ar将再次累积，产生出来后又被困在矿物晶体中。所以测量⁴⁰Ar原子的数量可以被用于计算从岩石样本凝固至今的时间量。

衰变方程式

$t={\frac {t_{\frac {1}{2}}}{\ln(2)}}\ln \left({\frac {K_{f}+{\frac {Ar_{f}}{0.109}}}{K_{f}}}\right)$

• $t$ = 流逝时间
• $t_{\frac {1}{2}}$ = 钾-40的半衰期 （1.248×10⁹年）
• $K_{f}$ = 留在样本中的钾-40原子数量
• $Ar_{f}$ = 留在样本中的氩气原子数量（按: 10.9％的钾-40衰变成氩气）

参见

• 考古年代测定、放射性定年法
  • 放射性碳定年法
  • 铀铅测年法
  • 钾钙法

参考资料

• McDougall, I.; Harrison, T. M. Geochronology and thermochronology by the ⁴⁰Ar/³⁹Ar method. Oxford University Press. 1999. ISBN 0-19-510920-1. 
• Tattersall, I. The Fossil Trail: How We Know What We Think We Know About Human Evolution. Oxford University Press. 1995. ISBN 0-19-506101-2.