放射性碳年代测定

简介　　

放射性碳年代测定约为距今7000年—8500年之间科学家早已发现，宇宙中不断有宇宙线向地球辐射。美国科学家利比认识到，宇宙线的辐射，会使大气层中的部分碳原子变为放射性碳。由于植物不断从空气中吸收二氧化碳，动物又以植物为食物。因此，他认为，所有的生物都应含有放射性碳。这种设想为他在1947年做的实验所证实。

　　生物死后，摄入放射性碳的过程自然就停止了，其体内原有的放射性碳则会稳定衰变，其辐射强度每576O年降低一半。利比认识到，根据这一规律，就可测定古代生物体或其他有机物的年代。有了这种办法，考古学家不必再单纯依赖于文字记载和地层证据来判定年代，考古学因而取得了极大的进展。

　　自然界中碳元素有三种同位素，即稳定同位素12C、13C和放射性同位素14C，14C的半衰期为5730年，14C的应用主要有两个方面：一是在考古学中测定生物死亡年代，即放射性测年法；二是以14C标记化合物为示踪剂，探索化学和生命科学中的微观运动。

14C测年法

自然界中的14C是宇宙射线与大气中的氮通过核反应产生的。碳-14不仅存在于大气中，随着生物体的吸收代谢，经过食物链进入活的动物或人体等一切生物体中。由于碳-14一面在生成，一面又以一定的速率在衰变，致使碳-14在自然界中（包括一切生物体内）的含量与稳定同位素碳-12的含量的相对比值基本保持不变。

　　当生物体死亡后，新陈代谢停止，由于碳-14的不断衰变减少，因此体内碳-14和碳-12含量的相对比值相应不断减少。通过对生物体出土化石中碳-14和碳-12含量的测定，就可以准确算出生物体死亡（即生存）的年代。例如某一生物体出土化石，经测定含碳量为M克（或碳-12的质量），按自然界碳的各种同位素含量的相对比值可计算出，生物体活着时，体内碳-14的质量应为m克。但实际测得体内碳-14的质量内只有m克的八分之一，根据半衰期可知生物死亡已有了3个5730年了，即已死亡了一万七千二百九十年了。美国放射化学家W．F．利比因发明了放射性测年代的方法，为考古学做出了杰出贡献而荣获1960年诺贝尔化学奖。

　　由于碳-14含量极低，而且半衰期很长，所以用碳-14只能准确测出5～6万年以内的出土文物，对于年代更久远的出土文物，如生活在五十万年以前的周口店北京猿人，利用碳-14测年法是无法测定出来的。
通过C₁₄年代测定法计算样本年代的公式如下：
t = [ ln (N_f/N_o) / (-0.693) ] x t_1/2 其中，ln指的是自然对数，Nf/No是样品中的C₁₄与活体组织中相比的百分数，而t_1/2是C₁₄的半衰期（5700 年）。
这样，如果化石中的C₁₄与活体样本相比是10%，那么化石的年代即为：
t=[ln(0.10)/(-0.693)]x5700年 =[(-2.303)/(-0.693)]x5700年
=[3.323]x5700年=18940年 由于C₁₄的半衰期是5700年，因此只能测定年代最多为6万年的物体。不过，C₁₄年代测定法的原则也适用于其他同位素。K₄₀是在人体内发现的另外一种天然放射性元素，它的半衰期是13亿年。其他常用于放射性年代测定法的放射性同位元素包括：铀-235（半衰期=7.04亿年）、铀-238（半衰期= 45亿年）、钍-232（半衰期=140亿年）以及铷-87（半衰期=490亿年）。
使用多种放射性同位素可以让生物和地质样本的年代测定有更高的精确度。不过，放射性同位素年代测定法在未来可能会变得不适用。于20世纪40年代后死亡的生物会因为核弹、核反应堆和露天核试验的影响而难以精确测定年代。

C14是如何产生的

每天都有大量宇宙射线进入地球大气层。例如，我们每人每小时要承受大约50万束宇宙射线的照射。宇宙射线与大气层中的原子碰撞的情况并不罕见，由此产生的二级宇宙射线以高能中子态存在，同时这些高能中子也经常会与氮原子碰撞。当中子碰撞时，N₁₄（7个质子，7个中子）原子就会变成C₁₄原子（6个质子，8个中子）和1个氢原子（1个质子，0个中子）。C₁₄具有放射性，其半衰期约为5700年。

生物中的碳-14
宇宙射线创造的C₁₄原子与氧结合会形成二氧化碳，植物将其吸收后会通过光合作用融入到植物纤维。食用植物的动物和人类同样会摄取C₁₄。空气和所有生物中普通碳（C₁₂）与C₁₄的比例在任何时代都是几乎不变的。一万亿个碳原子中可能有一个是C₁₄。C₁₄一直在衰变，但它们会按照恒定速度被新的C₁₄原子取代。此时，您的体内有一定比例的C₁₄原子，而所有的植物和动物也都有相同比例的C₁₄原子。
活的生物体一旦死亡，就会停止摄取新的碳。所有生物体死亡的那一刻C₁₂和C₁₄的比例都是一样的，但C₁₄会继续衰变，而且不会得到补充。C₁₄按半衰期为5700年的速度衰变，而样本中C₁₂的数量仍然保持不变。通过测量样本中C₁₂与C₁₄的比例，将其与活的生物体进行对比，就能相当精确地测算样本的生存年代。