碳-14测定法

碳14测年方法

碳14测年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)。

1、气体正比计数

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。β粒子是放射性碳衰变的产物。在此方法中，碳样品首先转换成二氧化碳气体，然后在气体正比计数器上进行测量。

2、液体闪烁计数

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。在此方法中，样品为液体形式，并添加了闪烁体。当闪烁体与一个β粒子相互作用时会产生闪光。一个装有样品的小瓶在两个光电倍增管之间通过。只有当两个设备都记录下闪光，才能产生一个计数。

3、加速器质谱（AMS）

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。在此方法中，直接测量碳14与碳12和碳13的相对含量。该方法不计算β粒子，而是计算样品中存在的碳原子数量以及同位素的比例，因此更为精确可靠，是最为流行的测量方法。

考古年代测定的方法

考古学是一门通过对古代人类文明遗迹进行发掘和研究，探索人类历史和文化发展的学科。在考古学中，为了确定遗址和文物的年代，使用了多种方法来进行年代测定。以下是一些常见的考古年代测定方法：

1. 放射性碳（ 碳-14）测年法：这是最常用的年代测定方法之一。通过测定有机样本中残存的碳-14含量来确定样本的年龄。由于碳-14的半衰期约为5730年，因此这种方法适用于距今约5万年以内的物品。

2. 热发光测年法（ TL/OSL）：通过研究某些矿物质在过去暴露于光线后，积累了能量并在加热后释放的现象，来测定样本的年龄。这种方法适用于年龄在几百年至几十万年之间的物品。

3. 磁化测年法：通过分析矿物质在古地磁场下的磁化方向，来确定样本的年龄。这种方法在确定遗址的年代和地层序列方面非常有用。

4. 树轮年代学：根据树木生长环的数量和宽度来测定树木的年龄。树轮年代学适用于年龄在几百年至几千年之间的木质样本。

5. 硝酸铀测年法：通过测定样本中的铀含量和其衰变产物（ 如铅）含量来测定样本的年龄。这种方法适用于年龄在几十万年至几十亿年之间的物质。

6. 热释光测年法（ TL/OSL）：类似于热发光测年法，但适用于年龄更久远的样本，可以测定几十万年至几百万年的年代。

这些年代测定方法通常需要专业的实验室设备和技术支持，并结合考古学家对遗址和文物的综合研究，才能获得更准确的年代信息。通过这些方法，考古学家可以对发掘出的文物和遗址进行精确的年代确定，有助于还原人类历史和文化的发展过程。

碳-14法

碳-14法是利用放射性同位素测定化石地质年代的一种方法。主要用来测定有机物。年代范围在7万年内

原理

碳-14的衰变是只有顶室的砂漏的最好的例子。在高空大气中，来自宇宙线的中子轰击氮-14原子，不断地以一定的速率产生着碳-14。这个反应是接着碳-14就发生放射性衰变，其半衰期为5692年

n：中子；p：质子

碳-14发射一个电子，并又变为氮。

e：电子； ： 粒子

据人们推测，在第一颗原子弹爆炸前至少50000年中，碳-14在大气中曾以一定的速率产生着。换句话说，碳-14的循环像一个向顶室补充砂子的速度正好等于由腰部的漏孔流出砂子的速度的砂漏一样。产生的速度等于衰变的速率这一类过程叫永久平衡。

新产生的碳-14很快与空气中的二氧化碳均匀混合在一起，被所有活着的植物所吸收，进而通过各种途径进入所有活着的动物体内。实际上在活着的生物体的所用碳中，碳-14的比例都是相同的。如果任何这种碳离开循环，例如树枝被拆下来，活着海贝在海洋中死掉，则就没有新的碳-14加到这一特定体系中来了。但原有的碳-14却不断衰变。

根据永久平衡原理，假设我们知道当初存在与生物中的碳-14有多少，则我们可以计算出任何类似的古代生物死亡的时间。这就是碳-14测定年龄的基本原理。

发展

应用碳14测定年代的方法，最早是由美国芝加哥大学原子核研究所的放射性化学家W.F.贝利于1946年发明。用它来测定古物的绝对年代，首先就已知年代的标本加以试验，以便检查这种方法所的差误。到1949年以后，人们开始研究了石器时代的样品和一些其他不知年代的委员会。此后，碳14法逐步得到了发展。在我国考古界中，此法与为是用的最多的方法之一。中国科学院考古研究所、贵阳地球化学研究所、北京大学历史系考古专业以及文物保护科学技术研究所等单位先后建立了碳14年代测定实验室，并陆续有测定结果的报告发表。

1 同位素检测 同位素检测法就是所谓的碳十四同位素断代法。同位素是指原子序数相同，而质量数不同的各种原子。在元素周期表中占同一位置，其化学性质几乎相同。如C12、C13、C14。其中C14(碳十四)是具有放射性的同位素。所谓放射性同位素是指自然界存在的一些最重的元素，会发出三种辐射。而同位素断代法正是利用了放射性同位素的蜕变周期。 蜕变也叫衰变，放射性元素的半衰期即表示衰变的快慢。不同原子半衰期有很大差别。在考古学上，通过用常规的放射性衰减技术法测量C14的丰度(多少)。C14的含量与现在C为标准进行比较，就可推知该样品的年代了。实际上，鉴定古地图可以用超灵敏的加速器质谱技术，其技术也是建立在同位素检测原理上，但要先进很多。质谱技术测试时间更短，精度更准，相应的测年误差为正负50年。 碳十四测年法 碳十四测年法又称放射性同位素（碳素）断代法，一般写作 14 C 。 14 C 断代方法由美国 芝加哥大学利比（ Libby ）教授于 1949 年提出。 1 、碳十四断代法的原理 自然界存在三种碳的同位素： 12C （ 98.9% ） , 13C (1.19%), 14C (10-10%) ，前两者 比较稳定，而 14C 属低能量的放射性元素。 14 C 的产生和衰变处于平衡状态，其半衰期 为 5730±40 年（现在仍使用 5568±30 年）。宇宙射线同地球大气发生作用产生了中子， 当热中子击中 14 N 发生核反应并与氧作用便产生了地球上的 14 C 。在大气环境中新生 14 C 很快与氧结合成 14 CO2 ，并与原来大气中 CO2 混合，参加自然界碳的交换循环。植 物通过光合作用吸收大气中的 CO2 ，动物又吃植物，因而所有生物都含有 14 C 。生物死 后，尸体分解将 14 C 带进土壤或大气中，大气又与海面接触，其中的 CO2 又与海水中溶 解的碳酸盐和 CO2 进行交换。可见凡是和大气中进行过直接、间接交换的含碳物质都含 14 C 。同时 14 C 又以 5730 年的半衰期衰变减小；加上碳在自然界的循环交换中相当快，使 得 14 C 在世界各地的水平值基本一致。如果生物体一旦死亡， 14 C 得不到补充，其中的 14 C 含量就按放射性衰变规律减少，经过 5730 年减少为原来的一半。因此可以计算出生 物与大气停止交换的年代 t ，即推算出生物死亡的年代。所以，一切死亡的生物体中的残 存有机物以及未经风化的骨片、贝壳等都可用 14 C 来测定年代。 碳十四测年技术（C14断代法） 又称放射性碳素断代法(Radiocarbon dating) 。 2 碳十四测年技术的起源和发展 公元1936年，一个名叫卡门的科学家发现并分离出一种分子，它是碳的一种同位素，分子量是十四，因此被称为碳十四。三年后，科学家柯夫经过研究，指出宇宙射线和大气作用后，射线中子的最终产物是碳十四，并计算出了其在大自然中的产生率。 这些成果引起了年青科学家利比的高度重视。利比是个爱好广泛的人，他一方面是研究放射现象的自然科学家，另一方面又喜欢诸如考古、历史之类的社会科学。利比敏锐的感觉到，这也许是解决考古学年代测定的一个突破口。二战结束后，利比出任芝加哥大学教授。有了自己的时间，他开始将心中的理想付诸实施。起初他对自己的研究秘而不宣，想给考古界带来个惊喜，但由于没有经费，他不得不于1946年圣诞节将自己的研究目的透露出来。消息传到考古界，立即引起维金基金会的重视，为利比提供了科研资金。在这笔资金的支持和众多考古学家的鼓励下，1949年利比终于成功的创建了碳十四测年的常规方法。 为了检验测年方法的准确性，专家们进行了严密的盲测实验。他们找来许多已知年代的含碳标本，放在只有标号的盒子里，让利比进行测年，然后把结果与实际年代进行比对，所有的结果都在可接受的误差范围内。 经过重重考验，碳十四常规测年法被考古学家和地质学家所接受，成为确定旧石器晚期以来人类历史年代的有力工具。许多长久以来没有解决的难题迎刃而解。我们知道，考古学与历史学的重要的结合点就在于确定遗址的年代。而碳十四测年技术则为这个结合点找到了一个突破口。这是考古学的一个重要革命性的技术。 尽管碳十四测年常规技术为考古学的发展发挥了重要作用，但从它诞生之日起，这项技术的不足之处也令考古学家感到不便。其一是它需要的标本量比较大，并不是所有的遗址都能提供这么多的标本，当然也不能用它来对某些需要测年的文物来进行测年。再就是它的精度还是不够，年代越远的标本其误差也就越大，有时竟达到几百年。这对于研究年代学的学者来说，不能不说是一种遗憾。于是又出现了木轮年代校正曲线，经过科学家多年的努力，用这两者结合起来可以将误差缩小到几年甚至一两年！ 随着核物理学的发展，一种新的测定碳十四的方法面世了，这就是用加速仪质谱学进行碳十四的分析。英文缩写为AMS。AMS具备了常规法的一切优点，同时又有许多优势。主要就是我在上文中讲到的，常规测年法精度不够，而AMS的灵敏度与精度比常规法要好得多.但更吸引专家的是,AMS所需的标本量极少,只需几毫克,几乎可以实现无损伤检测.于是便有了著名的"都灵裹尸布案". 碳十四测年的原理 我们知道,空气的主要成份是氮气和氧气.在宇宙射线的作用下,组成氮气的氮原子发生了变化,原子核由原来的七个质子变成了六个,成了碳元素的一种同位素,它的分子量是十四,因此叫碳十四.碳十四的原子核并不稳定,它放射出中子,最终又变回氮原子.这个变化是有一定的速度的,它每过5730年减少一半,这个时间也就是碳十四的半衰期.尽管如此,碳十四的化学性质还是与普通的碳十二完全一样,它与氧气反反应生成了二氧化碳,与碳十二的二氧化碳混合在了一起.科学家经过计算,认为这个混合比例,基本上是一个恒定的值,例年的变化不是太大. 3 植物在光合作用时,将二氧化碳吸入合成有机物,碳十四二氧化碳也按比例进入植物体内.在整个自然界的食物链上,碳一层层的流动着,碳十四也跟着流动.随着新陈代谢,生物体内的碳十四含量也基本与大气保持一致. 但当生物死亡后,情况发生了变化,新陈代谢停止了.于是,尸体内的碳十四便以其特有的衰变规律进行衰变.只要我们测定其中碳十四的含量,就能知道这个生物是什么时候死的.比如,我们在一个遗址中发现一块人骨，只要测出其中所含的碳十四的量，就能算出这个人的死亡时间，进一步知道这个遗址的大致年代。这就是碳十四测年的技术原理. 有一点必须指出，过去大气中的碳十四放射性水平只是变化相对不大，但并不是真正恒定的。利用统一的现代标准计算出来的年代并不是日历年代，只能称为碳十四年代。为了解决这个矛盾，学者们又找出了一个辅助的方法，就是通过树轮年代校正曲线来进行校正。树木春长秋止，在树干截面上形成疏密相间的年轮，年轮的宽窄是由当年的气候等因素决定的，科学家根据年轮的宽狭序列便可知道其生长的年代。他们首先建立起近几万年的树轮序列，然后测定每一个年轮的碳十四含量，作出了一个曲线，就是树轮年代曲线图。用它校正，可将误差缩减到几年。 都灵裹尸布奇案 耶稣的故事大家都不陌生吧？但到了文艺复兴后，人们大都认为那不过是神话。但在都灵天主教堂却长期保存着一块据称是耶稣裹尸布的圣物。围绕着这块布，科学家在争论，老百姓在谈论，就连教会内部也是议论纷纷。它本身的经历就很有传奇色彩，多次易手，多次险些被毁，而对于它的真伪，更是众说纷纭。1898年，都灵大主教曾允许科学家进行直接实物考察，上面显示出有十分逼真精细的人体影像，诸多细节与《圣经》上的记载吻合。但这并没有使争论平息。1949年，碳十四常规测年法问世，有人便提出来要为裹尸布测年，但这种方法需要太多的样本，几乎要把整个裹尸布都搭进去，教会当然不会同意。 碳十四AMS法出现后，由于它只需几毫克样本，不会对裹尸布造成损害，因此科学家希望能用这个方法给裹尸测年。经过十年艰苦谈判，教会终于同意了。 公元1988年4月21日，激动人心的时刻来到了。不列颠博物馆的考古专家和大主教一块来到都灵教堂，他们关闭了严密的保安系统，从圣器中取出这块有争议的尸布，大主教亲自从上面剪下一块长七厘米、宽一厘米的布条，然后分成三小块，分别装在三个标有号码的金属盒中，送到三家权威检测实验室进行严格的盲测。结果很快出来了，三家实验室的独立测量结果非常一致，这块裹尸布的年代为公元1260至1380年之间。裹尸布是中世纪的产物，不可能是耶稣时代的东西。这件事本身固然很有意义，同时，也使碳十四测年技术名声大振。 碳十四测年法之父是个美国人，名叫W. F. 利比（W. F. Libby）。他是个著名的物理化学家、放射化学专家、热原子化学、示踪技术、同位素示踪技术专家。利比在1947年的时候创立了用放射性碳十四 （14C）测定年代的方法，这个方法在考古学上中得 4 到了广泛的应用。1952年利比的著作《放射性测年法》由芝加哥大学出版社出版，1955年再版。这个 方法的创立给利比带来了极大的荣誉；利比因1947年创立的放射性碳十四测年法而获得了1960年的诺贝尔化学奖。1960年以后，利比长期担任了《美国 科学院公报》和《科学》的编委。W. F. 利比已于1980年去世。 碳十四测年法又称放射性碳素断代法 (Radiocarbon dating) ，还可以写成C-14测年法等。我们都知道，碳是自然界中广泛存在的元素，占地壳重要组成的0.018%；天然碳有三种同位素，即碳十二(12C)、碳十 三(13C)、碳十四(14C)，人工还可以合成碳的同位素。这其中，只有碳十四(14C)才具有放射性。碳十四(14C)在自然界含量极少，而且半衰期 很长；它也是碳的最稳定、最重要的同位素。碳十四(14C)的半衰期为5730年，不走运的是，随着岁月的推移，大气中碳十四的含量还可能会有轻微的改变 （诸如太阳黑子爆炸、火山喷发等）；所以碳十四半衰期还要按照具体的年代进行修订（树轮曲线），这个5730年最后算来大概还有正负四十年的误差存在。 由于新陈代谢，地球上生物体吸收或放出CO2的过程不断进行，生物体内的碳十四（14C）含量也保持不变。但当生物失去新陈代谢作用（死亡），14C循环 进入生物体内的过程就停止了。这时，留在体内的14C就只能按照其固有的半衰期5730年的衰变速率逐渐减少。因此，埋藏地下深层的样品，只要测定其 14C与12C的含量比例，按14C的放射性衰变公式进行计算，校订之后便可推出待测物品的存在年代。 这个方法适应于考古学和第四纪地质研究，常用样品为木炭、泥炭、木材、贝壳、骨骼、纸张、皮革、衣服以及某些沉积碳酸盐等。但是，用碳十四测年法也只能准 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，实际上利用碳十四测年法是无法测定出来的。 树轮曲线 树木生长时，它的树杆每一年都长一轮（树轮或年轮）。每棵树的截面上，都可以看到一圈又一圈的年轮。数出多少个年轮，就可知树龄有多少年。实际上，从这棵 大树的不同年轮取样作碳十四测年，所得的碳十四年代与树轮的实际年代还是有差别的；它们的实际差距在2000年内基本是一致的，但是到五、六千年前就有不 小的差距了。因此，各国的科学家们在准确测定树木年轮的年代之后，将碳十四年代与精细的树轮年代学方法进行比较，从中找到了误差的规律，再用树轮对碳十四 年代作了精确校正，这就是树轮曲线和树轮校正的方法。现在已经可以用近万年的树轮，去校正碳十四测定的年代。 1965年问世的树轮校正曲线几经改进，综合1000多个由不同实验室测定的数据，建立了统一的曲线和表。1998年建立的年代校正曲线，是目前被国际通用的数据。 加速器质谱碳十四断代方法（AMS方法） 加速器质谱测年技术（AMS——Accelerator Mass Spectrometry）与碳十四断代原理基本相同，都是基于样品中碳十四同位素原子数随时间按指数函数衰变的规律；只是二者的所测物理量和测试技术有别，前者以对碳十四原子计数代替对β粒子的计数。 AMS方法是加速器技术、质谱技术和探测鉴别技术的产物，具有一些优点。首先AMS所需样品量少，一般1-5毫克就足够了，甚至20-50μg。其次，精 确度高，灵敏度可达