14C年代测定原理及其在考古中的应用

1 2 下一页 碳元素共有8种同位素，9C、10C、11C、15C、16C是人工核反应的产物，半衰期很短，不存在于自然界中。自然界中存在着碳的3种主要同位素：12C、13C和14C，其中12C、13C都是稳定同位素，只有14C具有放射性，故称放射性碳。利用14C同位素放射性衰变规律进行测年技术称为14C年代测定技术，也称放射性碳定年法。
　　
　　114C年代测定技术的产生
　　
　　1933年，库利(F.N.D.Kurie)等人发现，N原子核(14N)在快中子轰击下，云雾室中出现了一条又长又细的反冲粒子径迹，后来有人用慢中子轰击N核得到了同样的结果，分析和计算证明，只有带正电荷的质子，才能在云雾室中形成细长的粒子径迹。因此，他们认为，这是快中子与14N相互作用生成14C后放出来的一个多余质子。1940年，科夫(S.A.Korff)发现，宇宙射线在高空大气圈中会产生中子，并首先研究了地球大气圈上形成14C的物理条件。当时，美国芝加哥大学教授利比(W.F.Libby)和科夫刚好研制成功一种探测中子的计数器，他们把它放置在气球上，如实地记录大气圈内各高度层的高能宇宙产生的中子强度。实验结果证明：中子计数率随高度增加，到距地面15km处，中子强度达到最大值。因此，在大气圈顶部，宇宙射线轰击空气时产生大量快、慢中子，这些中子轰击占空气80%的氮原子核后，同样产生放射性14C。14C与氧结合生成14CO2，在与大气中氧气混合后参加自然界碳的交换循环运动。植物通过光合作用与大气中的二氧化碳进行交换，与大气中14C处于平衡状态。动物通过食用植物体内吸入14C；动物通过排泄、死亡，植物腐烂、沉积，进入表层土壤而使14C进入土壤，大气与海面接触，二氧化碳又与海水中溶解的碳酸盐和二氧化碳进行交换，因此，海水、海生物及海底沉积物中都含有14C。由于碳在自然界的交换循环很快，所以，处于与大气相互交换的各种物质在各地的14C水平基本是一致的。这一点已由利比富集从阴沟臭水中收集的沼气中的14C，在屏蔽式技术器内做放射性测定得到证实。1949年，利比和阿诺德(J.R.Arnold)通过分析一套已知年龄的考古标本，证明用14C方法测年龄是可行的。利比首先提出了用14C测定古代遗址年龄的方法，并因创立14C年代测定技术而荣获1960年的诺贝尔化学奖。
　　
　　214C年代测定技术的原理
　　
　　14C年代测定技术的基本原理是根据样品中的14C原子衰变率计算样品的年代。地球上所有生物都参与同二氧化碳的交换，都存在14C，在占空气总体积万分之三的CO2中，与氧结合的碳元素的12C、13C、14C3种同位素所占的份额分别是98.9%、1.1%，其中14C的相对含量仅是100亿分之一。然而正是这种含量极微的14C所特有的放射性衰变的规律，在我们对含碳物质的年代测定中发挥着神奇的作用。各类植物在生命过程中要不断地同大气交换，动物活着不断吸收植物中的14C，衰变掉的14C能不断地得到补充。而一旦停止了交换，(如植物被砍伐、动物死亡、海洋中的碳酸盐沉积等)，其14C再也得不到补充，样本中的14C将按指数规律衰减：I=IOe-λt
　　
　　式中，I为停止与二氧化碳交换t年后，标本中的14C比度；IO为大气中14C比度；t为标本与大气停止交换的年数；λ为14C的衰变常数。测得空气中的14C度和标本出土时的14C比度，就可以从上式求出标本死亡的年数：t=τlnIO/I(年)式中τ为14C的衰变常数
　　
　　14C半衰期是年龄计算中的关键参数，它的精确度直接影响年龄计算结果的可靠性。20世纪60年代，科学家对14C半衰期认真测定，得到一个较精确的平均值5730±40年。我们把问题简化，若一个单位量的样品，在处于交换状态时所含的14C原子个数是1万个，现在我们用仪器测量出该样品中目前仅剩5000个14C原子了，这个样品已经停止交换5730年了，对动物来说已经死亡5730年了。对树木来讲已经被砍伐5730年了。如果样品仅剩2500个14C原子，这个样品停止交换的年代已经经历了两个半衰期，已经停止交换11460年了。
　　
　　在14C年代计算公式中位于分母位置的待测样品内残留的14C和位于分子位置的处于交换状态现在碳的14C放射性，都可以通过仪器测量出来。处于交换状态也就是处于平衡状态的物质，从理论上说，利用现在砍伐的树木做样品就可以测量出来。但事实上却不能这样做，而要取1850年的木材做样品。这是因为，1850年以后世界范围的工业生产已经开始，煤等燃料的大量使用，使大气中不含放射性14C的CO2含量增加，使在这100多年来生长的物质放射性14C水平降低了大约1%～2%，靠近工业区降低的更多。这就是对14C年代测定技术有影响的工业效应。
　　
　　1948年以来大规模进行的大气核爆炸实验(原子弹、氢弹等)所产生的中子，同宇宙射线中子一样与大气中的氮核作用生成14C。这些14C也参加自然界碳的交换循环致使14C放射性水平有增加的影响，这就是核爆炸效应。
　　
　　工业效应、核爆炸效应都会对大气中的14C放射性产生不稳定的影响，所以选择现代碳样品要选择这样事件发生之前的木材。1985年以前，我国的14C实验室都采用1850年的木材做现代碳的样品。目前我国的14C实验室普遍使用糖碳样品做为现代碳，目的是使各实验室之间使用相同的标准，以利于各实验室之间的年代结果比对。
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