碳14的正确测量方法

A. 碳十四的测定方法

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。
一、利用宇宙射线产生的放射性同位素碳-14来测定含碳物质的年龄，就叫碳-14测年。已故着名考古学家厦鼐先生对碳-14测定考古年代的作用，给了极高的评价：“由于碳-14测定年代法的采用，使不同地区的各种新石器文化有了时间关系的框架，使中国的新石器考古学因为有了确切的年代序列而进入了一个新时期。
那么，碳-14测年法是如何测定古代遗存的年龄呢？
原来，宇宙射线在大气中能够产生放射性碳—14，并能与氧结合成二氧化碳形后进入所有活组织，先为植物吸收，后为动物纳入。只要植物或动物生存着，它们就会持续不断地吸收碳—14，在机体内保持一定的水平。而当有机体死亡后，即会停止呼吸碳—14，其组织内的碳—14便以5730年的半衰期开始衰变并逐渐消失。对于任何含碳物质，只要测定剩下的放射性碳—14的含量，就可推断其年代。
碳—14测年法分为常规碳—14测年法和加速器质谱碳—14测年法两种。当时，Libby发明的就是常规碳—14测年法，1950年以来，这种方法的技术与应用在全球有了显着进展，但它的局限性也很明显，即必须使用大量的样品和较长的测量时间。于是，加速器质谱碳—14测年技术发展起来了。
加速器质谱碳—14测年法具有明显的独特优点。一是样品用量少，只需1～5毫克样品就可以了，如一小片织物、骨屑、古陶瓷器表面或气孔中的微量碳粉都可测量；而常规碳—14测年法则需1～5克样品，相差3个数量级。二是灵敏度高，其测量同位素比值的灵敏度可达10-15至10-16；而常规碳—14测年法则与之相差5～7个数量级。三是测量时间短，测量现代碳若要达到1%的精度，只需10～20分钟；而常规碳—14测年法却需12～20小时。
正是由于加速器质谱碳—14测年法具有上述优点，自其问世以来，一直为考古学家、古人类学家和地质学家所重视，并得到了广泛的应用。可以说，对测定50000年以内的文物样品，加速器质谱碳—14测年法是测定精度最高的一种。
1.碳14是碳的一种具放射性的同位素，于1940年首被发现。它是透过宇宙射线撞击空气中的氮原子所产生，其半衰期约为5，730年，衰变方式为β衰变，碳14原子转变为氮原子。
2. 由于碳14半衰期达5，730年，且碳是有机物的元素之一，生物在生存的时候，由于需要呼吸，其体内的碳14含量大致不变，生物死去后会停止呼吸，此时体内的碳14开始减少。人们可透过倾测一件古物的碳14含量，来估计它的大概年龄，这种方法称之为碳定年法。 自然界存在三种碳的同位素，它们的重量比例是12：13：14，分别用碳-12（C12）；碳-13（C13）；碳-14（C14）表示，它们的含量比例是98.9：1.1：10-10 。前二者是稳定同位素，只有碳-14有放射性，亦称放射性。碳C14放射β粒子后蜕变为N14，半衰期为5730±40年，反应式为:C14→N14+β一。
C14的半衰期只有五千多年而地球存在已有数十亿年，自然界却存在着保持一定水平的放射性碳元素，为使 C14的产生和衰变处于平衡状态，保持一定水平，必然存在着一种源泉。这个来源就在大气高空层，在那里，宇宙射钱中子和大气氮核作用生成C14。发现这一自然现象并用实验加以证实的是C14法创始人利比(W.F.Libby)。他从宇宙射线和人工核反应的研究中得到启发，认为自然界存在生成C14的条件，有可能检测出来，经过仔细考查计算，并在实验中解决了低能量低本底测量上的技术问题，测出了自然C14。由此建立了C14测定年代的方法。
最初，外来的宇宙射线与大气作用产生宇宙射线中子。宇宙射线中子和大气中氮核起核反应产生碳-14:
0n1+7N14→⒍C14+1H1
这一反应都在高空完成，新生碳原子在大气环境中不能游离存在很久，一般都与氧结合生成C14O2分子，C14O2和原来存在于大气中的CO2化学性能是相同的，因此必然与原有CO2混合参加自然界碳的交换循环运动。
植物通过光合作用将CO2结合成植物组织，动物依植物为生，这就使生物界都混入了C14.动物通过排泄，死亡，植物通过腐烂，沉积，进入表层土壤而使C14进入土壤，大气与广大海面接触， CO2又与海水中溶解的碳酸盐和CO2进行交换，因此海水、海生物及海底沉积物中都含有C14。所以，凡是和大气中的CO2进行过直接或间接交换的含碳物质都包含C14。
这种产生C14的自然现象存在已久，同时C14按5730年半衰期衰变减少，这类碳中C14水平必然会到达平衡值。由于碳在自然界的交换循环相当快，处于与大气互相交换的各种物质在名地的C14水平基本上是一致的。
利用这种到处都 存在C14的自然现象就可以用来断代。例如陆地生物、海洋生物在生命过程中由于同大气经常交换，衰变掉的C14经常能得到补充，但一旦停止了交换（如死亡、沉积），其C14就再得不到补充，C14水平因衰变而降低，每5730年降为原有水平的一半值。因此测量标本现存的C14放射性水平和它原始放射性水平相比较，就可以算出死亡或停止交换的年代，当然，几千年或几万年前处于交换状态的动植物的放射性水平是无法测知的，但若假定这种产生C14的自然现象几万年来都没有什么变化，就可以用在世界各地处于交换平衡状态的动植物放射性水平，作为标本的原始放射性水平，即所谓“现代碳”放射性标准。 我国自主研究，在1981年制定出了适合中国的现代碳标准，即“中国糖碳标准”，经过国内和国外的测试，数据可靠，得到了国内外的一致好评。
放射性衰变规律可用数学式表示，标本年代的计算公式如下：
A=τln No/NA
A： 标本年代
τ：C14平均寿命
NA：标本现有放射性
No：标本原始放射性
C14平均寿命是一个常数，由实验测定，测出No、NA即可计算出标本年代。
但是，上面的结论要基于以下几点的假设：
① 假设大气中 C 的产生率不变。 ② 假定放射性衰变 规律不变，不受任何外界环境的影响，生物样品一旦死亡就停止与碳储存库进行自由交换．③ 地球上各 交换库中 C 的放射性比重不随时间、地点、物质种类而改变，这个假设经检验基本成立 。国际公认 C 测年中的 B P 起算点是 1950 年（因为之后人工核爆炸产生的大量 C 对大气影响很大，而且从18世纪工业革命之后，大气中的普通C大大增加，对C的比率影响很大）④样品根本没有受到污染，如果不小心混入了早期或晚期的碳，那测出的结果跟我们想要的肯定会有很大差距。
这就是C14断代的原理，由于这一方法所依据的是原子核的变化。这种变化不受周围环境的物理、化学条件的影响，而C14半衰期（5730年）正适用于对几千年到几万年的标本进行断代。另外，一些含碳的物质，如木、草、骨、贝壳等动植物遗骸在古代遗址中普遍存在，因此，C14法自1950年建立起，就成为有力的断代手段而广泛应用于史前考古学和第四纪晚地质学。 《C14测年及科技考古论集》
《C14测年及科技考古论集》主要内容：夏、商、西周的年代测定是用系列样品方法进行的，使年代数据的误差大为缩小。可以说是14C测年技术及研究应用达到了当前一个新的境界。此外，由于考古研究对自然科学技术的需要，编者对其他科技考古研究也有所涉及。所以这本文集选辑了：一、建立实验室以来关于14C测年的基本原理及实验技术的研究文章13篇；二、结合史前考古及其他应用学科的研究文章12篇；三、有关夏商周断代工程的研究文章13篇；四、有关其他科技考古的文章5篇。

B. 碳14年代测定法

碳14年代测定法是根据碳14衰变程度来计算出，这一原理通常用来测定古生物化石的年代。又称“碳14年代测定法”或“放射性碳定年法”。

主要方法：

有三种主要技术用于测量任何给定样品的碳14含量：气体正比计数、液体闪烁计数(LSC)和加速器质谱[AMS]。

气体正比计数是一种计算给定样品发射的β粒子的传统放射性定年技术。

液体闪烁计数是另一种放射性碳定年技术，曾经在20世纪60年代流行。

加速器质谱[AMS]是一种现代化的放射性碳定年法，被认为是衡量样品的放射性碳含量更为有效的方法。

C. 什么是碳14测年法

放射性同位素C-14的应用 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。 一、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。 二、碳-14标记化合物的应用 碳-14标记化合物是指用放射性14C取代化合物中它的稳定同位素碳-12，并以碳-14作为标记的放射性标记化合物。它与未标记的相应化合物具有相同的化学与生物学性质，不同的只是它们带有放射性，可以利用放射性探测技术来追踪。 自 20世纪 40年代，就开始了碳-14标记化合物的研制、生产和应用。由于碳是构成有机物三大重要元素之一，碳-14半衰期长，β期线能量较低，空气中最大射程 22cm，属于低毒核素，所以碳-14标记化合物产品应用范围广。至80年代，国际上以商品形式出售的碳-14标记化合物，包括了氨基酸、多肽、蛋白质、糖类、核酸类、类脂类、类固醇类及医学研究用的神经药物、受体、维生素和其他药物等，品种已达近千种，约占所有放射性标记化合物的一半。 以碳-14为主的标记化合物在医学上还广泛用于体内、体外的诊断和病理研究。用于体外诊断的竞争放射性分析是本世纪60年代发展起来的微量分析技术。应用这种技术只要取很少量的体液（血液或尿液）在化验室分析后，即可进行疾病诊断。由于竞争放射性分析体外诊断的特异性强，灵敏度高，准确性和精密性好，许多疾病就可能在早期发现，为有效防治疾病提供了条件。 碳-14标记化合物作为灵敏的示踪剂，具有非常广泛的应用前景。 参考资料： http://www.cbe21.com/subject/chemistry/html/020102/2004_04/20040408_100048.html

D. 考古里的碳十四测年法是怎么回事

碳14测年，又称碳—14年代测定法或放射性碳定年法（Radiocarbon Dating），就是根据碳—14衰变的程度来计算出样品的大概年代的一种测量方法。这一原理通常用来测定古生物化石的年代。

碳14测年法由美国芝加哥大学教授、加州大学伯克利分校博士威拉得·利比（Willard Frank Libby）发明[1-2]，威拉得·利比因此获得1960年诺贝尔化学奖。

碳14的衰变需要几千年，正是大自然的这种神奇，形成了放射性碳定年的基本原理，使碳14分析成为揭示过去的有力工具。在放射性碳定年过程中，首先分析样品中遗留的碳14。被分析的样品的碳14比例可以说明自样品源死亡后流逝的时间。

报告的放射性碳定年结果是未校准年BP（迄今），其中BP是指公元1950年。接着进行校准，将BP年转换为历年。随后将该信息与准确的历史年龄联系起来。

(4)碳14的正确测量方法扩展阅读：

考古学旨在了解人类，它是一项超越发掘宝藏、收集信息和测定年龄的崇高的事业。正是了解了昔日文化不再存在的原因后，人类才明白了确保历史不会重演的关键所在。

多年来，如果不是凭借放射性碳定年、树轮年代学、古地磁断代、氟化物定年、光释光测年以及黑曜石水化分析等技术，考古学发现的历史文化信息将永远都不被人所知。

放射性碳定年技术的应用已有50年了，它彻底改变了考古学。碳14定年迄今仍是一项强大可靠的、广泛适用的技术，对于考古学家和其他科学家来说极其宝贵。

E. 测量碳14含量的详细步骤

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。

M/Mo=(1/2)^(t/T)
式中M/Mo是质量百分比，T=5700年，t就是时间（年代）

F. 碳14方法是怎样测定植物年龄的

1958年，在我国的古老地层中发现一颗古代莲子。经考古学家采用“碳14方法”测定，它已有1000多年的历史。后来，经过北京植物专家的精心培育，这颗古莲子竟然萌发新芽，并开花结果。这件事在考古界引起轰动，并引起了人们对“碳14方法”测定古代植物年龄的兴趣。

植物的呼吸循环是吸进二氧化碳，呼出氧气。大气二氧化碳中的碳主要是碳12。但也有极少量（大约只有碳12含量的1万亿分之1.2）的碳14。这是一种放射性同位素，它的半衰期为5570年，也就是说每过5570年碳14的原子总数的一半，衰变成其他原子。除了具有放射性外，碳14的各种物理或化学性质同碳12没有任何不同。由于植物不断吸进二氧化碳，因此，植物的体内部存在极微量的碳14。当然，由于碳14的不断衰变，会使它在植物中的含量不断减少。但是，植物在同大气交换二氧化碳过程中，又会不断地把碳14补充进来。理论计算指出，在地球上这样的过程只要持续几万年以上，就会达到动态平衡，从而使植物中碳14的含量保持恒定。

但是，某种植物一但中止了与大气的二氧化碳的交换，例如，某种植物死亡了，则其中的碳14的含量会因为“入不敷出”而减少。交换中止的时间越久，则该植物中的碳14含量就越少。这样，人们只要测量这种植物中碳14和碳12的含量之比，再同测量时空气中的碳14的含量进行比较，就可以算出该植物生存的年代。这就是用“碳14方法”测定植物年代的基本道理。

考古工作者应用这种方法解决了许多考古中未能解决的难题。例如，在新石器时代仰韶文化的遗址——西安半坡遗址中，发现了大量古代小米，经测定知道它们的存在距今已有6500年。这说明六千多年前，中国就有了相当发达的农业。又例如，据历史记载，公元79年由于着名的维苏威火山爆发，意大利庞培城被“活埋”了。这记载可靠吗？当庞培城被考古学家完整地发掘出来后，对出土的一块烧焦的面包（它也是用古代植物制成的），用“碳14方法”进行测量，结果发现其“年龄”与历史资料吻合。这说明那段历史记载是对的。碳14真不愧是考古学家的“时钟”。