‘壹’ 考古学家怎样测定文物的时代,急用
用碳14
一.14C测年方法的基本原理
在自然界中碳有两种稳定同位素12C，13C和放射性同位素14C。14C是由宇宙射线和大气上层中的气体原子发生核反应而生成的，这些生成的14C不断地扩散到整个大气层、生物圈、沉积物和海洋等交换贮存库中。由于14C也在不断衰变，因此在各交换贮存库中的14C含量将会达到平衡。处于这种交换状态的含碳物质一旦脱离交换且一直处于封闭状态，则其中的14C不再得到补充，只会按衰变规律逐渐减少。假定长期以来宇宙射线的强度没有改变，即14C的产生率不变，则只要测出该含碳物质中14C减少的程度，就可以按照基本的衰变公式推算出考古事件或地质事件的年代。
常规14C测年已有五十余年的历史，其原理已为大家所熟知，即通过测量样品的放射性活度来确定样品年代，如常用液体闪烁计数器等核物理仪器探测并计数样品中14C衰变发射出的β粒子。
用加速器质谱方法（AMS）进行14C测年是七十年代末发展起来的一项核分析技术。这项技术将14C离子加速到百万电子伏特以上的能量，通过各种手段分离干扰粒子后，用重离子探测器直接对14C原子进行计数。和常规14C测年方法相比，AMS具有样品用量少和测量时间短的优点，特别适合珍贵样品的测量。常规14C衰变法测年所需样品含碳量一般为1-5g ，而AMS仅需1-5mg左右，在某些特殊情况下甚至可测量含碳0.1mg以下的样品。AMS测量现代炭样品达到1%的精度只需10-20分钟，常规衰变法需10个小时以上。当然，和常规14C测年方法相比，AMS也有设备耗资大，测量过程复杂的问题。
应该指出的是，以上无论常规法对放射性活度的测量和AMS对14C原子的计数都是相对测量，需要和两个基准样品进行比较。一是本底样，即应该不含任何14C的样品。由于各种因素如样品的沾污等，本底样的14C测量结果并不是绝对为零，在进行其他样品的测量时要减去这一本底，以确保反映样品中真实的14C水平。另一个是现代碳标准，其14C含量应相当于处于交换状态下含碳物质的14C水平。现代碳标准的选取是一个复杂的问题，这里不作讨论。北京大学14C实验室采用的是中国糖碳标准。
二. 14C测年误差
考古工作者，特别是当研究文明起源问题时，最关心的是14C测年的精确性有多高。这是一个十分重要的问题。
14C测年的误差，除决定于实验室的技术因素，14C测年工作者的水平外，也强烈地决定于被测年样品本身的情况，甚至同样的样品还依赖于样品的年代。14C测年方法的基本假设前提的不完全成立也导致测年误差。可以毫不夸张地说，自四十年代该方法建立以来14C工作者和考古、地质学家共同努力的主要目标也正是在提高测年的精确度和扩大样品的适宜性。在夏商周断代工程中，无论是常规的，或加速器质谱14C课题组都做了大量艰苦的工作来降低实验误差。
14C测年结果一般代表被测样品的形成年龄，但样品形成年龄与样品所在考古单元形成的年代并非同一概念。举例来说发掘一房址，用其中残存的粮食、炭化果核测年可代表房子被废弃的年代，而奠基用的动物遗骸，墙泥中掺和的草茎等物的14C年龄则接近房子的建造年代。此外木头、人骨本身有相当长的寿命，精确测年时要考虑这个因素。
14C测年方法的基本假设前提是若干万年以来大气中二氧化碳的14C放射性比度，或者说其14C/12C同位素丰度比是恒定不变的。但这个假设只是近似成立。通过对约一万年来其生长年代确切已知的树轮样品的系统14C测年，阐明了大气中二氧化碳的14C放射性比度随时间变化的规律，并建立了14C测年的树轮校正曲线。校正量除最大幅度达800年的8000年长周期外，还需考虑振幅和周期均约为百年的短期涨落，短期涨落的幅度和周期是不很规则的。为了得到确切的年代，样品的14C测年结果要根据树轮校正曲线作校正。我们知道14C测年结果本身是必然有实验误差的，譬如说加减50年，这是指68% 的置信区间为100年。对于单个样品单个14C数据而言，树轮校正修正了因长期变化所导致的误差，提高了测年的准确度。但是由于短期涨落的存在，多数情况下并不能改进测年数据的精密度，误差表达式中的加减值反而会增加。 举例来说郑州大河村某样品的14C年龄为距今（5170 ± 80）年，其68% 的置信区间为距今5090--5250年，区间宽度160年。经树轮校正后，校正年龄（又称日历年龄）68% 的置信区间为距今5774--5989年，它更接近真实年龄，但校正年龄的68% 的置信区间的宽度变大了，达215年。这里我们看到准确度和精密度是两个不同的概念。当然人们希望同时有高准确度和高精密度，或简称高精确度。为此需要用所谓的系列样品。
在“夏商周断代工程”中，我们正是采用系列样品测年以提高精确度的。最理想的系列样品是树木本身。如有一段树桩，其年轮可数达120年。现按序每10年取样测年，得到12个有序的，真实年龄相隔各10年的14C年龄组。把这组数据与树轮校正曲线去对比，如果实验本身的误差不大，那么这组数据必然会与树轮校正曲线上的某一段，而且也只能唯一地与这一段相吻合，从而该段树桩的生长年代也就能相当精确地测定，最理想情况下误差仅几年。考古所仇士华先生曾用这种与树轮校正曲线匹配的方法，通过测长白山地区一炭化木头的年龄来确定长白山火山喷发的年代。
考古遗址按地层采集的样品，或者从一系列有明确叠压或打破关系的墓葬中采集的样品也可看作系列样品。当然从精确14C测年的角度看，这类系列样品远不如真正的树轮样品那样理想。因为前后样品间的确切年代间隔是不知道的，而且样品的年龄与其所在考古单元的年代不一定等同，此外在晚期的地层中有可能采集到前面各期的样品。系列考古样品测年所得的14C年龄系列也可以与树轮校正曲线匹配以得到树轮校正年龄，但鉴于上述的种种不确定因素，所得的校正年龄的误差也相应要大得多。考古工作者有理由问，考古系列样品14C年龄作树轮校正后的误差究竟有多大。但给予回答时是需要具体情况具体分析的，而且对误差的估计也难免有主观的成分。考古系列样品14C年龄与树轮校正曲线匹配时，是可以把考古工作者对这些样品已有的知识引进综合考虑的，如果这些知识是正确的，这有助于提高最终校正年代的精确度。譬如一个遗址被分成四期八段，每一段的年代跨度是否是均匀的，有那几段可能跨度更长些，甚至四期的绝对年代跨度有多少年，这些先验的知识在14C数据与树轮校正曲线匹配时是很有用的。夏商周断代工程中的14C测年课题组正是这样做的，在解决文明起源研究课题中的年代学问题时我们也准备这样做。这里也再次看到14C测年工作者与考古工作者紧密合作的重要性。
三. 北京大学14C实验室
北京大学考古系于1975年建成国内第一个液体闪烁方法的碳十四测年实验室。该方法后来在全国得到推广，目前国内所有常规碳十四实验室都用液体闪烁方法。1989年因与社科院考古所合作建立碳十四测年用的糖碳标准，获国家科技进步三等奖。20多年来，实验室已测定与发表考古碳十四年代数据约1500个，占国内考古碳十四年代数据的约三分之一。例如系统测定了浙江河姆渡，湖南彭头山等早期稻作农业遗址的年代，把我国最早的稻作农业的年代推到七千多年以前，把榫卯建筑结构的年代推到六千多年。最近又测定了河南贾湖遗址的年代，表明那里发现的七孔骨笛有七千多年之久，这些多为研究我国文明的起源提供了重要的年代学标尺。
近三年来实验室集中力量完成夏商周断代工程中的碳十四测年项目，并为此作了实验室改造，测年的可靠性和精确度都有了进一步的提高。规定了标准化的制样和测量条件， 严格控制和长期监测主要测量仪器Paccard 液体闪烁计数器的工作稳定性，并采用了道比法来校正被测样品苯和标准样品苯之间可能存在的纯度差异导致的测年误差。目前测量的随机误差可控制在0.5%以下。
技术物理系和重离子物理研究所于1993年建成了北京大学加速器质谱计（以下简称PKUAMS）。PKUAMS以EN串行静电加速器为主器，由离子源与注入系统、高能分析与传输系统、粒子探测系统和数据获取与分析系统构成。主要测量14C、10Be和26Al等宇宙成因核素，14C测量灵敏度达到6´ 10-15，相当于测年上限为四万三千年，10Be和26Al的测量灵敏度也达到10-14以上。主要应用领域为地球科学、考古学、环境科学和生命科学。PKUAMS自1993年建成并投入运行以来，共测量样品近千个，在上述各领域中取得了一系列应用成果。获1995年原国家教委科技进步一等奖，1998年中国分析测试学会奖一等奖。 PKUAMS还广泛开展国际合作与交流，并为美国、法国、荷兰、香港及台湾等国家和地区的用户提供测样服务。
PKUAMS在考古学领域中完成了多项应用工作，如广西桂林庙岩遗址样品14C年代测定等。旧石器时代向新石器时代过渡是考古学中的重要问题。1988年广西桂林庙岩遗址的发现为深入研究这一问题提供了新的线索。但由于遗址中部分层位样品量很少，用常规方法很难得到样品的年代，致使距今9250年到19350之间的年代数据出现空缺。PKUAMS发挥了所需样品量小的优势，补足了这些数据，从而给出了完整的层位年代序列。通过仔细研究遗址相关层位的文物，可以认为距今2到1万年之间是我国南方旧石器文化向新石器文化转变的时期。
PKUAMS还测量了从不同地点出土的陶片的年代，其中广西庙岩和湖南玉蟾岩出土的陶片年代距今为一万五千年和一万四千年。这是迄今世界上发现并被测定的最古老的陶片，为研究世界制陶史提供了重要材料。经PKUAMS测定的甘肃东灰山出土的炭化小麦年龄为4200年，是我国发现的最早的小麦。
为满足“夏商周断代工程”高精度14C测年要求，PKUAMS从1996年开始了大规模的改造工程。经过两年的艰苦努力，PKUAMS新的离子源、注入系统、加速器输电与分压系统、电源与电控系统、数据获取与测量控制系统等先后建成并进行了调试。1998年为确保系统稳定对实验室进行了改造，实现了温度、湿度调节与市电稳定等功能。经过半年多艰苦的全线调试和实验研究，测量精度达到了好于0. 5%的水平，并通过了标准样品测试检验，测量结果与标准值的一致性很好，偏差在测量误差之内。1998年12月开始测量首批“夏商周断代工程”样品。目前，已测“夏商周断代工程”样品近百个，测量方法的进一步改进研究也在继续进行之中。
总之，经过“夏商周断代工程”的改进提高，北京大学的常规和加速器质谱14C实验室都达到了国际上较为先进的水平。我们希望这两个实验室能为古代文明的研究做出新的更大的贡献
‘贰’ 如何测定化石的年代
岩石或化石生成后距今的实际年数,主要是通过测定放射性元素的衰变量而计算出来的.放射性元素以自己恒定的速度进行衰变,不受外界温度和压力的影响.在一定时间内,放射性元素蜕变的份量和生成的元素具有一的比例.例如,1克238铀经45亿年就有一半衰变了,只剩下0.5克铀,同时产生0.433克206铅.也就是说,238铀的半衰是45亿年.因此,如果测定含铀的化石中剩下的238铀和206铅的含量的比,就可以计算出该化石的绝对年龄.目前,常用放射性碳（14C）来测定化石的年龄,因为化石中往往含有碳.
运用放射性碳之所以能测定化石年龄,是因为大气受到来自外层空间的宇宙射线的冲击,会产生中子.这些中子和大气里的氮原子作用,会生成14C.14C与氧结合生成二氧化碳,二氧化碳又被生物同化,转变成生物体内的成分.这种14C又要陆续衰变成普通的氮原子.生活期间的生物体内,14C的含量一般只能保持不变的,但是,一旦死亡,和外界的物质交换停止了,就只会按照衰变规律减少.14C的半衰期是5700年.因此,根据含碳化石标本里14C的减少程度,就可以计算出该生物死亡的年代.
近年来,除应用放射性元素外,还应用古地磁法来测定化石年龄.
氨基酸——化石年龄的新测法
本刊曾经两次介绍过“年龄的故事”（注一）,对地球及地球上各种古物的年龄之推算原理、算法等都详尽的讨论过.惟其所介绍的方法都是用纯物理化学的同位素法,如利用C14及H3之蜕变来测定等.现在发现尚有一种生物化学的方法,亦可以作为考证古物化石年龄的参考.
化学物质的原子互相结合时,因为排列的位置不同,可以产生不同的立体异构物.生物的基本构成单元如醣类.氨基酸与核酸,就不乏这种立体异构物.我们首先来看看氨基酸的构造：它是由碳、氢、氧及氮等所构成,其通式为,由此式我们知道,和碳素结合的原子或者分子都不相同,故可以有不同的立体异构物.为了简化起见,生化学家曾以甘油醛为标准先定出两种基本系列的氨基酸,即和右甘油醛（D－Glyceraldehyde）相像的为右系氨基酸,和左甘油醛（L－Glyceraldehyde）相像的为左系氨基酸.这裏所谓的左系或右系乃是理论的构造式,和氨基酸实际上右旋抑或左旋根本无关.但妙就妙在自从这种标准定了以后,在生物体内所发现的氨基酸多是左系的,而右系的却非常之少,就动物来说,几乎是等于零的.不过用人工合成的氨基酸溶液,因其机率均等,通常造成左右两种构造物浓度相等的溶液.这种氨基酸通常称为左右氨基酸或消旋物（Racemate）.生物体内的氨基酸成分经碱性加热反应时,便会立刻由纯左系的变成左右混合之消旋物.用酸水分解时,因为化石内的消旋反应为温度与时间的函数,所以其消旋反应在通常的情形下也就来的要比较慢一些了.假定地球上的温度变异不大,只要把化石中氨基酸的左、右异构物之比值（D／L）测量一下,即可推算化石的年龄,如果用化石的碳同位素C14法测定了年龄后,也可以由D／L比值来推算化石所经历的温度变化情形.目前,在考古上用得最多的是天门冬氨酸（aspartic acid）,它在构成动物廿种蛋白质成分的氨酸中,是消旋反应最快的一种,在常温20℃时,它在头骨之collagen中的半衰期约为两万年,而以左异白氨酸（L-isoleucine）为最慢,半衰期往往长达十万年之久.氨基丙酸（alanine）和麦氨酸（glutamic acid）等位于此二者之间.如果要和C14比较时,它们的半衰期都比C14的五千二百年长的多,故对于比较古老的化石年龄计算,很有用.
现在我们就来谈分析的方法,如所周知,效果最好而又十分方便的仪器便是自动氨基酸分析仪（automatic amino-acid analyzor）.特别在考古工作上,因为像左异白氨酸和它的立体异构物右异白氨酸（D-allo-isoleucine）可以直接由自动氨基酸分析仪分开.所以实际的操作步骤,只要用盐酸水解化石,然后再以液体层析法（Liquid chromatography）将异白氨酸纯化,打入自动分析仪即可.其他种类的氨基酸的立体异构物,不能直接分析,必须先合成一种立体异构物的衍生物（diastereomeric derivative）,然后才能用自动氨基酸分析仪分开.现在就以天门冬氨酸为例：可
以直接注入自动氨基酸分析仪分析.例如化学合成的天门冬氨酸（DL-form）、在现代骨骼中的抽取物及由埃及出土的古物UCLA 1695（注三）,便可用这种方法分析（如图）.如以碳C14法测定UCLA1695测得其年龄应为17550±1000年,若用D／L法,（D／L＝0.316）便可测得其年龄应在15000年左右,这两种方法的差异竟有一两千年之多,症结是因后者假定地球表面温度变异不大,事实上古代的温度可能较低.
由此可知,这方法可以配合同位素法共同测量古物的年龄,其优点在于所用的样品为数不多,只要5到10克的化石就可以分析了,分析氨基酸立体异构物自然尚有其他方法,如巴斯德（L.Pasteur）早就用微生物来区别其左右异构物了,现在更有很多人用（enzyme）来分析,只是这些方法,处理起来较为繁复罢了.
‘叁’ 年代测定的方法有几种
测定年代的方法，一般可分为两类，即绝对年代测定法和相对年代测定法。
（1）绝对年代测定法
绝对年代的测定，是根据沉积或火山岩在形成后其中化学元素自然放射性的衰变而计算的。沉积岩中的某些元素含有不稳定的同位素，在发生自然的放射性衰变时，它们的原子有规则地分解成为其他的元素，如钾40逐渐衰变成氩40，铀235衰变成铅207，碳14衰变成氮14等等。
衰变的速度不受外界因素如压力、温度或时间推移的影响。经过一定的时间，原先的原子只留下一半了。这个时间叫“半衰期”，放射的量也只有一半了。这留下的一半经过一定的时间，又去掉一半，只留下原先的1/4，再过一定的时间，再去掉一半，留下原先的1/8，如此等等。如果确定这块岩石样品中剩余的不稳定的同位素的量，再确定衰变产生的元素的量，得出它们的比例，这样根据已知的半衰期年代，便可计算出它的绝对年代。
这些间接的绝对年代测定的准确性，也有赖于标本与沉积年代的关系；如果年代测定还有赖于与其他沉积的相关，则其可靠性又差了一段。总之，绝对年代测定法虽然给人们一个年代的数目，但不要忘记，这只是一种估计，并不是准确数目。
（2）相对年代测定法
相对年代是使化石年代与其他东西的年代发生联系，如与其他化石、旧石器文化或地质事件相联系，从而来确定化石的年代。在不能使用绝对年代测定法时，使用相对年代测定法是很有用的。但是这种方法的准确性受到一系列因素的影响。
相对年代测定法主要是利用化石与它的沉积物的关系。当骨骼被埋藏时，它们逐渐吸收土壤中的某种元素。埋藏的时间越长，它们吸收得越多。比较各骨中这些化学物质的量，就可得知其相对的年代。如果人化石与其周围的动物化石埋藏时间是相同的，则两者中的各种元素的百分率会是一样的，如果人骨是埋藏在较晚的层位中，而后与较老的动物骨骼相混杂，则人骨内的各种元素的量会较少。最早用这种方法是分析骨中氟(Fluorine)的含量，例如在上世纪末和20世纪初时，初次用含氟量来判别在南斯拉夫克拉皮纳(Krapina)地点发现的人化石是否与该地点的绝灭动物群的骨骼是同时化的，从而确定了克拉皮纳人在尼人中的地位。其他常用的元素有氮和铀。这些化学测定法完全决定于当地的土壤条件，而不能用来比较不同的地点，即使是互相邻近的地点也不行。随着当地条件的变化，这种方法得出的结果有时不一致，或者根本不能应用。特别是人类化石，要考虑到在近10万年内埋葬的习俗逐渐风行起来。
相对年代的另一种测定方法，是确定出产化石的沉积，或者化石本身在当地的地层顺序、考古顺序或者动物进化顺序中的位置，从而测定其年代。
根据出产化石的地层与已知地层的特征相对比，从而确定化石的年代。例如，在东非肯尼亚特卡纳湖的一二百万年前的沉积中发现的人类化石的地层层位，可以用火山的凝灰岩而追踪其相互关系。又如欧洲的许多尼人的相对地位，可以用西欧当地的温度变化的序列、古土壤的成分以及其他受温度影响的地质现象来确定。
用考古器物的文化顺序，来测定年代是有很大困难的。人类技术的进步，更多是增加新的工具，而不是抛弃旧的。现代人还有用很原始的石器工具的。如果单从极简单的工具来判断，则可能会把晚的东西弄得很早。可是如果发现一把铁斧，则此地点肯定是相当晚的。所以，只能从最先进的工具来确定一个地点在当地文化顺序中的地位。
‘肆’ 考古学家是用什么办法判断物品的年代
方法很多。
1。有些可以通过古代书籍，传说等等记录中查询，譬如书籍中有记载的古代货币，古画，宣德炉等等。
2。碳14鉴定法。这个是物理方法，相对比较可靠，没有专业水平可是无法仿造的。不过这个的缺陷在于无法精确定位年代，误差几百年是小意思。
别的方法也很多，最重要的原因就是：要证据。
‘伍’ 考古中有哪些种年代测量方法
考古里的碳十四测年法，就是根据碳依四衰变的程度来计算出样品的大概年代的一种测量方法。 碳依四是碳元素的一种具放射性的同位素，它是透过宇宙射线撞击空气中的氮原子所产生。碳-依四原子核由陆个质子和吧个中子组成，其半衰期约为5,漆三0±四0年。由于在有机材料中含有碳-依四，因此根据它的衰变可以确定考古学样本的大致年代。 碳十四测年法的原理在于，碳依四由于受到宇宙射线中子对碳依四原子的作用，不断地形成于大气上层。它在空气中迅速氧化，形成二氧化碳并进入全球碳循环。动植物一生中都从二氧化碳中吸收碳依四。当它们死亡后，立即停止与生物圈的碳交换，其碳依四含量开始减少，减少的速度由放射性衰变决定。放射性碳定年本质上是一种用来测量剩余放射能的方法。通过了解样品中残留的碳依四含量，就可以知道有机物死亡的年龄。 这一原理通常用来测定古生物化石的年代。 碳十四年测年法由美国加州大学伯克利分校博士威拉得·利比发明，威拉得·利比也因此获得依9陆0年诺贝尔化学奖
‘陆’ 考古学家是用什么来测知一个物体的年代
埃及的考古学家在离尼罗河不远的山上，发现一座非常古老的谷仓，从谷仓里找到了一些小麦，经科学方法测定，这些小麦大约是六千多年前留下来的。这是用一种放射性同位碳-14测定小麦“年龄”后才知道的。
科学家发现，一棵树、一片草叶、一只蜜蜂，以及人体中的一点肝脏、一片指甲，在每6×10^12个碳原子中一定有一个是碳-14原子。这种原子每分钟能放出16个β粒子，自己则转变成碳的其他同位素。假如生物(植物或动物)少活着，碳-14原子则衰变多少就能补充多少，总保持一定的数量。假如有人砍倒一棵树，这棵树死了，就不会再补充不断减少的碳-14了。可是，原来的碳-14原子还在继续衰变。要知道，从活树上碳-14原子每分钟放射16个β粒子，逐渐地“衰变”，到只能每分钟放8个β粒子，经历这样一个“半衰期”，需要5730年。因此，几千年后人们发现了这棵被砍倒的树，锯下一块木头，将它加热变成炭从中取出1克，用放射性探测器测出它每分钟能放射的β粒子个数，经过计算，就会确知这棵树究竟是在什么时候被砍倒的。埃及考古家就是用这种方法测知小麦的“年龄”的。
用放射性测定年代的方法，是很有用的。我们说五千年前地球上已有了人类，他们会用火，会砍树，会制作草鞋。这也是通过碳-14原子测定的。据考证，很久以前，有些印第安人曾经做了一些草鞋，留在一个山洞里。在他们返回山洞之前，火山突然爆发，堵住了洞口。这个山洞现在被考古学家发现了，他们用放射性碳-14测定这些草鞋是在9600年前留下的。这里可能有些误差，但一般总是在9400年到9600年前这段时间里留下来的。
‘柒’ 分子生物学是如何测定物质的年代
是用C14来测点的
含C物质的C14含量在C元素中所含的比例几乎是保持恒定的，如果含C物质一旦停止与大气的交换关系，则该物质的C14含量不在得到新的补充，而原有的C14按照衰变规律减少，每隔5730年减少一半，因此只要测出含C物质中C14的减少的程度，就可以计算出它停止与大气进行交换的年代，这就是C14测年的原理。
C14含量=0.5^(x/5730)