碳14的正確測量方法

A. 碳十四的測定方法

自然界中碳元素有三種同位素，即穩定同位素12C、13C和放射性同位素14C，14C的半衰期為5730年，14C的應用主要有兩個方面：一是在考古學中測定生物死亡年代，即放射性測年法；二是以14C標記化合物為示蹤劑，探索化學和生命科學中的微觀運動。
一、利用宇宙射線產生的放射性同位素碳-14來測定含碳物質的年齡，就叫碳-14測年。已故著名考古學家廈鼐先生對碳-14測定考古年代的作用，給了極高的評價：「由於碳-14測定年代法的採用，使不同地區的各種新石器文化有了時間關系的框架，使中國的新石器考古學因為有了確切的年代序列而進入了一個新時期。
那麼，碳-14測年法是如何測定古代遺存的年齡呢？
原來，宇宙射線在大氣中能夠產生放射性碳—14，並能與氧結合成二氧化碳形後進入所有活組織，先為植物吸收，後為動物納入。只要植物或動物生存著，它們就會持續不斷地吸收碳—14，在機體內保持一定的水平。而當有機體死亡後，即會停止呼吸碳—14，其組織內的碳—14便以5730年的半衰期開始衰變並逐漸消失。對於任何含碳物質，只要測定剩下的放射性碳—14的含量，就可推斷其年代。
碳—14測年法分為常規碳—14測年法和加速器質譜碳—14測年法兩種。當時，Libby發明的就是常規碳—14測年法，1950年以來，這種方法的技術與應用在全球有了顯著進展，但它的局限性也很明顯，即必須使用大量的樣品和較長的測量時間。於是，加速器質譜碳—14測年技術發展起來了。
加速器質譜碳—14測年法具有明顯的獨特優點。一是樣品用量少，只需1～5毫克樣品就可以了，如一小片織物、骨屑、古陶瓷器表面或氣孔中的微量碳粉都可測量；而常規碳—14測年法則需1～5克樣品，相差3個數量級。二是靈敏度高，其測量同位素比值的靈敏度可達10-15至10-16；而常規碳—14測年法則與之相差5～7個數量級。三是測量時間短，測量現代碳若要達到1%的精度，只需10～20分鍾；而常規碳—14測年法卻需12～20小時。
正是由於加速器質譜碳—14測年法具有上述優點，自其問世以來，一直為考古學家、古人類學家和地質學家所重視，並得到了廣泛的應用。可以說，對測定50000年以內的文物樣品，加速器質譜碳—14測年法是測定精度最高的一種。
1.碳14是碳的一種具放射性的同位素，於1940年首被發現。它是透過宇宙射線撞擊空氣中的氮原子所產生，其半衰期約為5，730年，衰變方式為β衰變，碳14原子轉變為氮原子。
2. 由於碳14半衰期達5，730年，且碳是有機物的元素之一，生物在生存的時候，由於需要呼吸，其體內的碳14含量大致不變，生物死去後會停止呼吸，此時體內的碳14開始減少。人們可透過傾測一件古物的碳14含量，來估計它的大概年齡，這種方法稱之為碳定年法。 自然界存在三種碳的同位素，它們的重量比例是12：13：14，分別用碳-12（C12）；碳-13（C13）；碳-14（C14）表示，它們的含量比例是98.9：1.1：10-10 。前二者是穩定同位素，只有碳-14有放射性，亦稱放射性。碳C14放射β粒子後蛻變為N14，半衰期為5730±40年，反應式為:C14→N14+β一。
C14的半衰期只有五千多年而地球存在已有數十億年，自然界卻存在著保持一定水平的放射性碳元素，為使 C14的產生和衰變處於平衡狀態，保持一定水平，必然存在著一種源泉。這個來源就在大氣高空層，在那裡，宇宙射錢中子和大氣氮核作用生成C14。發現這一自然現象並用實驗加以證實的是C14法創始人利比(W.F.Libby)。他從宇宙射線和人工核反應的研究中得到啟發，認為自然界存在生成C14的條件，有可能檢測出來，經過仔細考查計算，並在實驗中解決了低能量低本底測量上的技術問題，測出了自然C14。由此建立了C14測定年代的方法。
最初，外來的宇宙射線與大氣作用產生宇宙射線中子。宇宙射線中子和大氣中氮核起核反應產生碳-14:
0n1+7N14→⒍C14+1H1
這一反應都在高空完成，新生碳原子在大氣環境中不能游離存在很久，一般都與氧結合生成C14O2分子，C14O2和原來存在於大氣中的CO2化學性能是相同的，因此必然與原有CO2混合參加自然界碳的交換循環運動。
植物通過光合作用將CO2結合成植物組織，動物依植物為生，這就使生物界都混入了C14.動物通過排泄，死亡，植物通過腐爛，沉積，進入表層土壤而使C14進入土壤，大氣與廣大海面接觸， CO2又與海水中溶解的碳酸鹽和CO2進行交換，因此海水、海生物及海底沉積物中都含有C14。所以，凡是和大氣中的CO2進行過直接或間接交換的含碳物質都包含C14。
這種產生C14的自然現象存在已久，同時C14按5730年半衰期衰變減少，這類碳中C14水平必然會到達平衡值。由於碳在自然界的交換循環相當快，處於與大氣互相交換的各種物質在名地的C14水平基本上是一致的。
利用這種到處都 存在C14的自然現象就可以用來斷代。例如陸地生物、海洋生物在生命過程中由於同大氣經常交換，衰變掉的C14經常能得到補充，但一旦停止了交換（如死亡、沉積），其C14就再得不到補充，C14水平因衰變而降低，每5730年降為原有水平的一半值。因此測量標本現存的C14放射性水平和它原始放射性水平相比較，就可以算出死亡或停止交換的年代，當然，幾千年或幾萬年前處於交換狀態的動植物的放射性水平是無法測知的，但若假定這種產生C14的自然現象幾萬年來都沒有什麼變化，就可以用在世界各地處於交換平衡狀態的動植物放射性水平，作為標本的原始放射性水平，即所謂「現代碳」放射性標准。 我國自主研究，在1981年制定出了適合中國的現代碳標准，即「中國糖碳標准」，經過國內和國外的測試，數據可靠，得到了國內外的一致好評。
放射性衰變規律可用數學式表示，標本年代的計算公式如下：
A=τln No/NA
A： 標本年代
τ：C14平均壽命
NA：標本現有放射性
No：標本原始放射性
C14平均壽命是一個常數，由實驗測定，測出No、NA即可計算出標本年代。
但是，上面的結論要基於以下幾點的假設：
① 假設大氣中 C 的產生率不變。 ② 假定放射性衰變 規律不變，不受任何外界環境的影響，生物樣品一旦死亡就停止與碳儲存庫進行自由交換．③ 地球上各 交換庫中 C 的放射性比重不隨時間、地點、物質種類而改變，這個假設經檢驗基本成立 。國際公認 C 測年中的 B P 起算點是 1950 年（因為之後人工核爆炸產生的大量 C 對大氣影響很大，而且從18世紀工業革命之後，大氣中的普通C大大增加，對C的比率影響很大）④樣品根本沒有受到污染，如果不小心混入了早期或晚期的碳，那測出的結果跟我們想要的肯定會有很大差距。
這就是C14斷代的原理，由於這一方法所依據的是原子核的變化。這種變化不受周圍環境的物理、化學條件的影響，而C14半衰期（5730年）正適用於對幾千年到幾萬年的標本進行斷代。另外，一些含碳的物質，如木、草、骨、貝殼等動植物遺骸在古代遺址中普遍存在，因此，C14法自1950年建立起，就成為有力的斷代手段而廣泛應用於史前考古學和第四紀晚地質學。 《C14測年及科技考古論集》
《C14測年及科技考古論集》主要內容：夏、商、西周的年代測定是用系列樣品方法進行的，使年代數據的誤差大為縮小。可以說是14C測年技術及研究應用達到了當前一個新的境界。此外，由於考古研究對自然科學技術的需要，編者對其他科技考古研究也有所涉及。所以這本文集選輯了：一、建立實驗室以來關於14C測年的基本原理及實驗技術的研究文章13篇；二、結合史前考古及其他應用學科的研究文章12篇；三、有關夏商周斷代工程的研究文章13篇；四、有關其他科技考古的文章5篇。

B. 碳14年代測定法

碳14年代測定法是根據碳14衰變程度來計算出，這一原理通常用來測定古生物化石的年代。又稱「碳14年代測定法」或「放射性碳定年法」。

主要方法：

有三種主要技術用於測量任何給定樣品的碳14含量：氣體正比計數、液體閃爍計數(LSC)和加速器質譜[AMS]。

氣體正比計數是一種計算給定樣品發射的β粒子的傳統放射性定年技術。

液體閃爍計數是另一種放射性碳定年技術，曾經在20世紀60年代流行。

加速器質譜[AMS]是一種現代化的放射性碳定年法，被認為是衡量樣品的放射性碳含量更為有效的方法。

C. 什麼是碳14測年法

放射性同位素C-14的應用 自然界中碳元素有三種同位素，即穩定同位素12C、13C和放射性同位素14C，14C的半衰期為5730年，14C的應用主要有兩個方面：一是在考古學中測定生物死亡年代，即放射性測年法；二是以14C標記化合物為示蹤劑，探索化學和生命科學中的微觀運動。 一、14C測年法 自然界中的14C是宇宙射線與大氣中的氮通過核反應產生的。碳-14不僅存在於大氣中，隨著生物體的吸收代謝，經過食物鏈進入活的動物或人體等一切生物體中。由於碳-14一面在生成，一面又以一定的速率在衰變，致使碳-14在自然界中（包括一切生物體內）的含量與穩定同位素碳-12的含量的相對比值基本保持不變。 當生物體死亡後，新陳代謝停止，由於碳-14的不斷衰變減少，因此體內碳-14和碳-12含量的相對比值相應不斷減少。通過對生物體出土化石中碳-14和碳-12含量的測定，就可以准確算出生物體死亡（即生存）的年代。例如某一生物體出土化石，經測定含碳量為M克（或碳-12的質量），按自然界碳的各種同位素含量的相對比值可計算出，生物體活著時，體內碳-14的質量應為 m克。但實際測得體內碳-14的質量內只有m克的八分之一，根據半衰期可知生物死亡已有了3個5730年了，即已死亡了一萬七千二百九十年了。美國放射化學家W．F．利比因發明了放射性測年代的方法，為考古學做出了傑出貢獻而榮獲1960年諾貝爾化學獎。 由於碳-14含量極低，而且半衰期很長，所以用碳-14隻能准確測出5～6萬年以內的出土文物，對於年代更久遠的出土文物，如生活在五十萬年以前的周口店北京猿人，利用碳-14測年法是無法測定出來的。 二、碳-14標記化合物的應用 碳-14標記化合物是指用放射性14C取代化合物中它的穩定同位素碳-12，並以碳-14作為標記的放射性標記化合物。它與未標記的相應化合物具有相同的化學與生物學性質，不同的只是它們帶有放射性，可以利用放射性探測技術來追蹤。 自 20世紀 40年代，就開始了碳-14標記化合物的研製、生產和應用。由於碳是構成有機物三大重要元素之一，碳-14半衰期長，β期線能量較低，空氣中最大射程 22cm，屬於低毒核素，所以碳-14標記化合物產品應用范圍廣。至80年代，國際上以商品形式出售的碳-14標記化合物，包括了氨基酸、多肽、蛋白質、糖類、核酸類、類脂類、類固醇類及醫學研究用的神經葯物、受體、維生素和其他葯物等，品種已達近千種，約占所有放射性標記化合物的一半。 以碳-14為主的標記化合物在醫學上還廣泛用於體內、體外的診斷和病理研究。用於體外診斷的競爭放射性分析是本世紀60年代發展起來的微量分析技術。應用這種技術只要取很少量的體液（血液或尿液）在化驗室分析後，即可進行疾病診斷。由於競爭放射性分析體外診斷的特異性強，靈敏度高，准確性和精密性好，許多疾病就可能在早期發現，為有效防治疾病提供了條件。 碳-14標記化合物作為靈敏的示蹤劑，具有非常廣泛的應用前景。 參考資料： http://www.cbe21.com/subject/chemistry/html/020102/2004_04/20040408_100048.html

D. 考古里的碳十四測年法是怎麼回事

碳14測年，又稱碳—14年代測定法或放射性碳定年法（Radiocarbon Dating），就是根據碳—14衰變的程度來計算出樣品的大概年代的一種測量方法。這一原理通常用來測定古生物化石的年代。

碳14測年法由美國芝加哥大學教授、加州大學伯克利分校博士威拉得·利比（Willard Frank Libby）發明[1-2]，威拉得·利比因此獲得1960年諾貝爾化學獎。

碳14的衰變需要幾千年，正是大自然的這種神奇，形成了放射性碳定年的基本原理，使碳14分析成為揭示過去的有力工具。在放射性碳定年過程中，首先分析樣品中遺留的碳14。被分析的樣品的碳14比例可以說明自樣品源死亡後流逝的時間。

報告的放射性碳定年結果是未校準年BP（迄今），其中BP是指公元1950年。接著進行校準，將BP年轉換為歷年。隨後將該信息與准確的歷史年齡聯系起來。

(4)碳14的正確測量方法擴展閱讀：

考古學旨在了解人類，它是一項超越發掘寶藏、收集信息和測定年齡的崇高的事業。正是了解了昔日文化不再存在的原因後，人類才明白了確保歷史不會重演的關鍵所在。

多年來，如果不是憑借放射性碳定年、樹輪年代學、古地磁斷代、氟化物定年、光釋光測年以及黑曜石水化分析等技術，考古學發現的歷史文化信息將永遠都不被人所知。

放射性碳定年技術的應用已有50年了，它徹底改變了考古學。碳14定年迄今仍是一項強大可靠的、廣泛適用的技術，對於考古學家和其他科學家來說極其寶貴。

E. 測量碳14含量的詳細步驟

目前，常用放射性碳（14C）來測定化石的年齡，因為化石中往往含有碳。

運用放射性碳之所以能測定化石年齡，是因為大氣受到來自外層空間的宇宙射線的沖擊，會產生中子。這些中子和大氣里的氮原子作用，會生成14C。14C與氧結合生成二氧化碳，二氧化碳又被生物同化，轉變成生物體內的成分。這種14C又要陸續衰變成普通的氮原子。生活期間的生物體內，14C的含量一般只能保持不變的，但是，一旦死亡，和外界的物質交換停止了，就只會按照衰變規律減少。14C的半衰期是5700年。因此，根據含碳化石標本里14C的減少程度，就可以計算出該生物死亡的年代。

M/Mo=(1/2)^(t/T)
式中M/Mo是質量百分比，T=5700年，t就是時間（年代）

F. 碳14方法是怎樣測定植物年齡的

1958年，在我國的古老地層中發現一顆古代蓮子。經考古學家採用「碳14方法」測定，它已有1000多年的歷史。後來，經過北京植物專家的精心培育，這顆古蓮子竟然萌發新芽，並開花結果。這件事在考古界引起轟動，並引起了人們對「碳14方法」測定古代植物年齡的興趣。

植物的呼吸循環是吸進二氧化碳，呼出氧氣。大氣二氧化碳中的碳主要是碳12。但也有極少量（大約只有碳12含量的1萬億分之1.2）的碳14。這是一種放射性同位素，它的半衰期為5570年，也就是說每過5570年碳14的原子總數的一半，衰變成其他原子。除了具有放射性外，碳14的各種物理或化學性質同碳12沒有任何不同。由於植物不斷吸進二氧化碳，因此，植物的體內部存在極微量的碳14。當然，由於碳14的不斷衰變，會使它在植物中的含量不斷減少。但是，植物在同大氣交換二氧化碳過程中，又會不斷地把碳14補充進來。理論計算指出，在地球上這樣的過程只要持續幾萬年以上，就會達到動態平衡，從而使植物中碳14的含量保持恆定。

但是，某種植物一但中止了與大氣的二氧化碳的交換，例如，某種植物死亡了，則其中的碳14的含量會因為「入不敷出」而減少。交換中止的時間越久，則該植物中的碳14含量就越少。這樣，人們只要測量這種植物中碳14和碳12的含量之比，再同測量時空氣中的碳14的含量進行比較，就可以算出該植物生存的年代。這就是用「碳14方法」測定植物年代的基本道理。

考古工作者應用這種方法解決了許多考古中未能解決的難題。例如，在新石器時代仰韶文化的遺址——西安半坡遺址中，發現了大量古代小米，經測定知道它們的存在距今已有6500年。這說明六千多年前，中國就有了相當發達的農業。又例如，據歷史記載，公元79年由於著名的維蘇威火山爆發，義大利龐培城被「活埋」了。這記載可靠嗎？當龐培城被考古學家完整地發掘出來後，對出土的一塊燒焦的麵包（它也是用古代植物製成的），用「碳14方法」進行測量，結果發現其「年齡」與歷史資料吻合。這說明那段歷史記載是對的。碳14真不愧是考古學家的「時鍾」。