绝对地质年代

【基礎地球科學科數位教材發展教材單元內容暨教學活動設計教案(含詳細旁白稿)】
單元編號 對應課綱 教學模式 1-2-2-12 1-2-2 探索地球歷史方法與限制 觀察與反思 => 形成抽象概念 => 應用與驗證 1. 知道放射性定年法在地層中的應用。 2. 建立地質年代表的概念。 單元名稱 預計教學時間 絕對地質年代 32分鐘（實體教學時間）
學習目標
1. 建立絕對地質年代的觀念﹣放射性定年法 (1) 動畫﹣以生物碳 14 為例，說明放射性元素衰變的過程與概念。 (2) 動畫﹣以母元素隨時間衰變，從時間與數量變化關係引入定年的概念（含實驗室中進行放射性定年的方式與過程） 。 (3) 動畫﹣放射性定年使用的限制，由提問或互動選擇的方式進行。 單元內容簡介 課程內容 (4) 評量﹣實例說明（互動式選擇與問答） 。 2. 建立地質年代表﹣總表列出元代紀世、年代、生物。 (1) 以動畫與圖片介紹地質年代表的建立 (2) 以動畫﹣對應不同世代，生物與環境的變化 (3) 時間單位﹣說明元代紀世等劃分之意義。
學習評量
問答題 以地層剖面圖為例，推測其地層特徵，古生物學家是如何確認的，試著以學習過的概念，應用在實際情境，並思考可能遇到的困難。 時間 實體 教學 5分 元件 編 號 設 計 理 念 教學元件 1-2-2-1-h 《放射性元素定年的原理》 以動畫表示放射性元素衰變的 原理。從原子核變化談起，介紹 元素轉變的過程。 旁白稿 放射性元素定年法是一種比較精確的定年法，放射性 元素（母元素）具有蛻變的性質，隨著時間會持續蛻變成 其他元素（子元素） 。在母元素蛻變過程中，母元素的剩餘 量減為最初母元素含量一半的時間，稱為半衰期。不同的 14 14 放射性元素，半衰期長短也不相同。譬如碳／氮 （C ／ N ） 87 87 10 半衰期 5,730 年、銣／鍶（Rb ／Sr ）半衰期 4.7 × 10 參考資料 1-2-2-1-h 放射性元 素定年的 原理》
教學活動設計
教學流程、教學內容 【觀察與反思】 生物體內碳14隨生命之變化，由 放射性元素衰變的過程反推生 物體的埋藏時間。

設計 2分
先以化學式與原子排列的簡 圖，顯示隨時間流逝，原子組成 的變化。搭配 X﹣Y 圖，以時間 為 X 軸，母元素量變為 Y 軸。 由此定出半衰期的概念。
設 計 要 求
年、鉀／氬（K ／Ar ）半衰期 1.3 × 10 年、鈾／鉛（U 206 9 ／Pb ）半衰期 4.5 × 10 年。 一般物質皆是由化學元素之結合體所組成，各有其獨 特的原子序數，標明了原子核內的質子數。另外，元素核 內可擁有相異的中子數，而以不同的同位素狀態存在。有 的特定元素的特定同位素被稱作核素。有的核素本身性質 不穩定，因此在某些特定時刻，此類核素的原子會自然轉 換為不同的核素。這種轉變可以多種方式達成，包括放射 性衰變，其可以發射粒子（通常為電子（β衰變） 、正電子 或α粒子） 、電子捕獲或自發分裂進行。 地質年代方程式 放射性衰變對應之地質年代的數學表達式為： m/m0=(1/2)
N
40
40
9
238
其中 m 為剩餘母元素含量；m0 為原有母元素含量； t 為所經時間；T 為半衰期 N 等於半衰期數目(=t/T) 1-2-2-1-i 對於生物體測定年代，在古生物學中除地層定年法外 《碳 14 放射性元素定年的應用》 還經常使用碳十四定年。 西元 1949 年阿諾與利貝(Arnold & Libby) 利用已知年 簡 報 說 明 放 射 性 元 素 衰 變 應 代的考古物證明碳十四定年的可行性以來，碳十四定年法 用，以碳14定年為例，說明人類 在定年方面的實用性及優越性早已為學者所肯定，尤其考 考古以碳14定年的原理。 古遺址與晚第四紀的地層研究與碳十四定年法更是分不 年的諾貝爾化學獎。 從人活著時，身體內碳 14 量與 開，也因此發現獲得了 1960 14 1 14 1 碳十四同位素的產生由 N7 + n0 → C6 + H1 大自然一致＝＞死亡後經數萬 而來，中子絕大多份來自宇宙射線高能粒子與大氣穩 年＝＞野外考古發現骨頭出現 ＝＞分析碳 14 含量比例＝＞推 定同位素的碰撞，少部份直接來自宇宙射線本身。這種形 測經過時間。將碳 14 衰變過程 成自高空大氣的碳十四同位素，是自然界碳十四的唯一來 源。 以圖表示。 碳十四定年法的原理是：生物體在活著的時候會因呼 吸、進食等不斷的從外界攝入碳十四，最終體內碳十四與 碳十二的比值會達到與環境一致 （該比值基本不變） ，當 生物體死亡時，碳十四的攝入停止，之後因遺體中碳十四 的衰變而使遺體中的碳十四與碳十二的比值發生變化，通 過測定碳十四與碳十二的比值就可以測定該生物的死亡年 代。 不過因為碳十四的半衰期比較短，碳十四定年法的應 用侷限於 5 到 6 萬年。
【形成抽象觀念】 以母元素隨時間衰變，從時間與 數量變化關係引入定年的概念。
實體 教學 5分
編 號 設 計 理 念
1-2-2-1-i 碳14放射 性元素定 年的應用
元件 設計 2分
設 計 要 求

實體 教學 5分
編 號 設 計 理 念
1-2-2-1-j 《放射性元素定年在岩 石探測上的應用》 以簡報表現岩石應用放射性定 年的實例。以野外採集岩石開 始，如何著手定出岩石年齡的過 程。 1. 簡報中欲呈現概念流程，野 外岩石＞實驗室分 析＞詳 述母元素子元素含 量比例 ＞推測年齡 2. 由反思，提出放射性元素定 年的限制 3. (1)反問，當母子元素比例極 低時該怎麼辦？ 4. (2) 若岩石形成過程出現何 種變化可能影響定年結果。
想要知道岩石或地層形成的時間 ， 要進行以下四步驟： Step1:但野外採集岩石樣品，通常是針對火成岩，若其 中含有鈾的礦物則能明確定義出火成岩的形成時間。 （備 註：含有鈾的礦物可適用於鈾-鉛定年法） Step2:帶回實驗室之後，先進行相當之前處理，岩石需 要切片才能針對新鮮(未風化的岩石)進行礦物分析 Step3:選定適合的同位素系統，如欲偵測近期內的岩石 樣品，則應當選擇半衰期較短的放射性同位素；反之，如 欲偵測地球較早期即形成的岩石樣品，則應當選擇半衰期 較長的放射性同位素 Step4:利用母元素和子元素在岩石中的相對比例，可反 推出岩石的形成時間 放射性定年法假設在岩石形成時，岩石裡不存在任何 衰變產物元素，而年代測定時在被測定物所檢測出的所有 衰變產物元素都來自放射性元素的衰變。所以放射性定年 法的結果並不十分準確，一般來說放射性定年法是在其他 測定年代方法無法應用時才使用。
1-2-2-1-j 放射性元 素定年在 岩石探測 上的應用
元件 設計 2分
設 計 要 求
【形成抽象觀念】 建立地質年代表，顯示不同時代 的環境特徵，在各時間單元的界 限處顯示原因
實體 教學 10分
編 號 1. 設 計 理 念
1-2-2-1-k《地質年代表》 以動畫表現地質年 代的建 立由最老地層疊置 出完整 地質歷史，再加入 絕對年 代，呈現由零到完整過程。 以圖顯示地質年代表，含元 代紀世單元。 以標準地層為主，從各地點 由老至新，疊出地質年代表 的結果。 滑鼠移到具代表性的 “紀”，可顯示當時概況。
2.
元件 設計 3分
設 計 要 求
1.
2.
很多酸性火成岩都含有鈾的礦物，大部分酸性、基性 和中性火成岩都含鉀和銣的礦物，這些礦物和岩石都可以 用來定年。 （最後一句文字已刪除） 地質年代是指地球歷史中有岩層記錄的一段漫長時 1-2-2-1-k 間， 地質學家根據地球上地層形成的先後順序與當中所含 地質年代 的化石， 建立了這個地層系統表和對比框架。 地質年代 表 主要是以 「相對年代」 和 「絕對年代」 為基礎及通過 綜合岩性的特徵等， 對地層進行劃分和對比建立出來，這 些時期使得岩石和化石能在全世界保持相互之間的關係。 古生代包括六個紀，由老到新依次為寒武紀、奧陶紀、 志留紀、泥盆紀、石炭紀、及二疊紀。 早古生代為海相無脊椎動物最繁盛的時代 (PIC01~03)，主要古生物包括三葉蟲、珊瑚、海綿動物、苔 蘇蟲等。早古生代後期開始出現魚類(PIC04)。到了早古生 代末期，原始植物例如海邊生存的半陸生低等植物開始登 陸晚古生代時(PIC05)。 中生代可分為三個紀，由老到新依次為：三疊紀、侏 羅紀、白堊紀。中生代為爬行動物空前繁盛的時代。不僅 陸地上有恐龍，海洋中有魚龍、蛇頸龍等，天空中也有翼

【其他教學相關資源】 數位化教材單元使用說明
實體 教學 0分
編 號 設 計 理 念 設 計 要 求
元件 設計 1分
龍類等。中生代時期，鳥類、哺乳類動物開始逐漸發育。 無脊椎動 物中， 以菊石、 箭石類等 軟體動 物最為顯 著 (PIC07、08)。中生代的植物以裸子植物為主。 而中生代晚期逐漸發育的哺乳動物及鳥類，由於適應 性較強，己逐取代了恐龍。新生代為哺乳動物最為發達的 時代（PIC09,PIC10） ，其中絶大部份生活在陸地，但也有生 活於海中(如鯨魚、海豚等)和空中(如翼手類)。新生代晚期 開始出現人類，此也是地球上生物演化史的最重大一次變 華（PIC11） 。新生代的植物以被子植物為主。 1-2-2-12-l 在各個單元元件中出現大量的地質構造的圖片，應該 《數位化教材單元使用說明》 跟學生強調，在世界上廣大分布的地層當中，要能找到這 些具有特殊意義的地質構造是相當不容易的事情。 而像台灣，因為正好處於板塊的聚合邊界，因此較有 機會觀察到各式各樣的地質特徵，強調出台灣是研究地質 本單元各元件的操作說明文件。 學相當適當的地方，特別是到山區或溪邊遊玩的時候，能 因為學習過地球科學的相關知識，在玩樂之餘能對自然環 境賦予更多的好奇與關心，多加留意身邊周遭地層或化石 可以告訴你的諸多訊息，才是這個單元能廣泛加以運用和 說明各元件融入教學時，須特別 驗證的樂趣之處。 注意事項及使用要領。 教學元件 旁白稿 參考資料 1-2-2-1-m 評量活動
教學流程、教學內容 定年實測與判斷地層事件的順 序。
時間 實體 教學 5分 編 號 設 計 理 念
1-2-2-12-m《評量活動》 結合相對年代與絕對年代的概 念。 給予一張地質年代表（含較具代 表性標準化石與絕對年代） ，提 出某地層剖面（含火山灰、斷 層、殘缺的化石﹣有放射性元素 母元素與子元素比例） ，對照地 質年代表，解答火山活動的時 間，與該化石最可能是那一種生 物。 圖一 圖二 圖三 圖一為地質年代表（含較具代表性標準化石與絕對年代） ， 圖二為五種放射性元素的半衰期列表，圖三為某地的地質 剖面圖，其中 C 層是由火山灰所組成，且經過定年知道火 山灰的形成時間距今大約 64Ma，在 D 層中找到一個化石， 利用碳 14 定年發現，化石當中碳 14 和氮 14 的比例為 1:7。 請嘗試回答下列各問題： 問題一：請問圖中的斷層應該是哪種斷層類型呢？ Ans:正斷層
評量活動 元件 設計 2分 設 計 要 求

問題二：由放射性定年的原理判斷，D 層地層的形成時間 大約是何時？ Ans:由於母元素與子元素的比例為 1:7，代表此化石已經形 成三個半衰期的時間，因此 5730 年乘以 3 等於 17190 年， 表示 D 層形成時間大約為 0.017Ma 之前。對應到圖一的地 質年代表，則為全新世。 問題三：如果在地層 G 當中，找到兩種不同的標準化石， 則最有可能是哪兩種生物的化石？ Ans: 根據疊置定律，地層 G 在地層 D 之上，代表地層 G 的形成時間比地層 D 為晚，因此唯二可能出現的標準化石 只有人類和象類的化石。 問題四：在野外採集到一塊岩石，發現其中含有紡錘蟲的 化石且含有黑雲母，可利用鈾 235-鉛 207 定年法來測定化 石的形成時間，請問該岩石經歷過約幾個半衰期較合理？ (A) 10 (B) 2 (C) 1 (D) 0.4 (E)0.1 Ans: 從地質年代表查知，紡錘蟲為古生帶晚期的標準化 9 8 石，鈾 235 的半衰期為 0.7x10 年，0.4 個半衰期為 2.8x10 年，最接近紡錘蟲年代。 編 號 設 計 理 念 1-2-2-12-n《學習單》 1. 地質學之父所倡導的『均變說』又稱『古今一致』論， 意指： 支配今日地球現象的基本原理與過程，也同樣支配著過去 的地球。因此我們可藉由觀察目前地球表面的諸多特殊地 質構造，藉以回推過去曾在地球歷史中發生的各重大地質 事件。 請問地質學之父是何人？__________________ Ans: 赫登 2.利用放射性同位素定年法可以推測出化石或岩石的形成 元件 設計 1分 設 計 要 求 時間，現在有兩個放射性元素系統：(1)系統一：元素甲經 過半衰期?t1 數量會減少一半且形成元素乙；(2)系統二：元 素丙經過半衰期?t2 數量會減少一半且形成元素丁。下圖為 這四種元素隨時間演變在其系統內元素比例變化情形。假 設某一化石骨骼經過儀器分析後，測得元素甲為 24ppm； 元素乙為 168ppm；元素丙為 10ppm；元素丁為 30ppm。 根據上述內容與附圖選出正確的選項。 【應選兩項】
實體 教學 2分
以學習單的方式瞭解學生對本 單元的學習情況。
【評量】學習單

(A) ?t1=?t2 (B)
2 ?t1=?t2 3
(C)元素甲和元素丙會隨著時間演進含量越來越少；元素乙 和元素丁則越來越多
??
(D)此化石大約已經形成 3000 年 (E) 由同位素系統一與系統二所推測出的化石形成時間並 不相同
Ans: CD 3. 地質年代是指地球歷史中有岩層記錄的一段漫長時間， 地質學家根據地球上地層形成的先後順序與當中所含的化 石， 建立了這個地層系統表和對比框架。 地質年代主要 是以 「相對年代」 和 「絕對年代」來表示，請問能準確 定義出絕對地質年代的方法為何？ Ans:放射性同位素定年法 4. 請針對古生代、中生代、新生代各寫出兩個當時的標準 化石。 Ans:古生代-三葉蟲、筆石 中生代-恐龍、菊石

新生代-象類、貨幣蟲 網站 / 書籍等 放射性同位素利用技術 學習資源 簡介 作者：林安秋 出版日期：1989 年 02 月 15 日 Dickin, A.P. Radiogenic Iostope Geology, Cambridge University Press, 1997. Faure, G., Principles of Isotope Geology, John Wiley & Sons, 1986. ?