下载文档原格式
碳十四测试年代的原理与应用作者：梁浩洋来源：《中国科技纵横》2018年第09期摘要：本文介绍了放射性同位素的衰变性质，并重点介绍了利用放射性碳十四测年的基本原理，讨论了用于测试放射性碳十四的加速器质谱方法（AMS），对测试的参数做了具体说明，并获得了碳十四测年的模型，说明了利用14C测年的时间尺度。
对碳十四在考古、地质与海洋方面的应用做了简单介绍。
关键词：放射性碳十四同位素；加速器质谱仪；测试年中图分类号：K879.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）09-0240-021 概述放射性是指不稳定的原子自发地放出α射线、β射线、γ射线等不同射线，而衰变形成其他种类的原子。
原子序数在83以上（铋及铋以后）的元素及少数原子序数小于83的元素（锝和钷）无稳定的同位素，其余元素也均有放射性同位素。
对于放射性元素，有其中铀-238，钾-40和碳-14在测年方面有着广泛而成熟的应用。
自然界中存在两种原子的质子数目相同，但中子数目不同，在元素周期表是同一位置的元素，二者称为同位素。
存在放射性的同位素称为“放射性同位素”。
放射性同位素是不稳定的，存在核衰变现象。
核衰变的速度只与核素本身有关。
放射性同位素衰变的快慢，通常用“半衰期”（τ1/2）来表示。
半衰期即一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半时所需的时间。
对于放射性元素，有[1]：N=N0e-λt，即t=ln（N0/N）/λ其中，t表示放射性元素的年代（单位为年）；λ表示放射性元素的衰变常数；N0表示放射性元素的初始原子数；N表示从初始经过t的时间放射性元素的剩余原子数；若ln（N0/N）=ln（2），则可以得到相应元素的衰变常数：λ=ln（2）/τ1/2自然条件下，碳元素存在12C、13C与14C三种同位素，而仅有14C是放射性同位素，其半衰期τ1/2=5730年，平均寿命约为8267年。
对于放射性碳十四同位素：dN/dt=-λ14N则有，dN/N=-λ14dt。
海德威碳14试验操作方法
碳14试验是一种测定含有有机碳的物质的年龄的方法。
下面是海德威碳14试验的操作方法：
1. 收集待测样品：从考古遗址、古生物化石、古木材或其他有机物中收集待测样品。
确保样品未被污染，以保证结果的准确性。
2. 样品前处理：为了去除样品中存在的旧碳，首先需要进行前处理步骤。
这通常包括将样品进行焙烧或酸洗，以去除可能含有旧碳的部分。
3. 样品制备：将经过前处理的样品转化为纯净的CO2气体。
这可以通过将样品与烧碱（如NaOH）加热反应，以产生气体。
然后，采用化学方法或物理方法将CO2气体分离和纯化。
4. 样品测定：将纯净的CO2气体转化为碳酸盐（如BaCO3或Ag2CO3）。
这通常通过与BaCl2或AgNO3反应，生成沉积物。
5. 沉积物收集：将产生的沉积物收集在滤纸上或其他适当的载体上。
6. 沉积物放射性计数：将沉积物放入计数器中进行放射性测量。
计数器将记录沉积物中碳14的放射性衰变。
7. 年龄计算：根据碳14的衰减速率以及已知的碳14含量，可以计算出待测样品的年龄。
需要注意的是，海德威碳14试验需要严格控制实验条件，以确保含有的旧碳和其他干扰因素最小化。
此外，仪器校正和参考样品的使用也是保证结果准确性的重要步骤。
114C测年基本原理1.1 14c的产生•宇宙射线中子冲击高空氮生成14C ，新生14C 被氧化成CO,参加自然界碳循环扩散到2整个生物界以及与大气发生交换的一切含碳物质中。
1n+ 14N→14C+1H1.2 14C的循环•海水中的碳酸盐类物质通过与空气中的14CO发生交换而使含14C 物质进入海水中；2•植物经过光合作用吸收14CO2动物通过食物链而摄入14C 。
•这些物质的14C 含量一方面按放射性衰变规律减少，一方面又不断从大气中获得补充，保持动态平衡。
1.314C 的衰变±•如动植物的死亡碳酸盐的掩埋等，造成物质中的14C 不再得到补充，原始的放射性14C 就按衰变规律减少，14C 的半衰期为5730±40a 根据衰变反应14C →14N+β和衰变定律，有:14N ＊=14C(e λt -1) 由A=A 0e -λt → t=-1／λln(A ／A 0)(A-样品放射性比度，A 0-样品活着时的放射性比度,假设在14C 可测年龄段内，宇宙辐射强度相似，即A 0=13.56±0.07dpm ／g)λ2 样品的选择14C常规测定的高精度技术即使用常量样品,如3～10克碳,计数其14C原子衰变时放射出的β射线。
小样液闪是常规测年与加速器测年法之间的必要补充,从而构成较完整的14C 测年方法系列，(小于1g碳)直接计数样品中的14C原子,因而需要的样品量不到常规法用量的千分之一（<10mg）2.2 湖相淤泥•湖相淤泥含大量或不含水生植物的有机遗体，而这些植物吸收了水溶大气CO 2和HCO 3—离子中的碳。
这两种来源的碳具有不同的14C 放射性比度大气中CO 2富14C ，而HCO 3—中的14C 贫乏•如果水溶液含有石灰岩沉积，淤泥有可能与这些物质相结合，致使c 年龄测定给出错误的结果，所以尽量获取生物成因的淤泥。
2.3 湖湘贝壳类•湖相贝壳的初始14C浓度与溶解在湖水中的CO2和HCO3—的14C浓度在生长期达到平衡，具有一定可信度。
放射性碳定年简介碳14定年原理的介绍放射性碳定年简介(碳14定年原理的介绍)2010-12-22 13：29Willard Libby利用检测放射能的方法开发放射性碳定年；碳-14是放射性非常微弱的碳同位素；并且众所周知，它是一个同位素计时器；并非所有材料都可以用于碳定年；气体正比技术、液体闪烁技术以及加速器质谱是三种主要的放射性碳定年方法；放射性碳定年实验运用Oxalic Acid I和Oxalic AcidⅡ为现代标准；放射性碳测试一般报告为常规碳定年。
放射性碳定年技术对现代人类产生了重要影响，成为20世纪最重大的发现之一。
没有其他科学方法能像放射性碳定年技术那样不仅彻底改变了人类对现在的认识，而且彻底改变了人类对数千年前已经发生的事件的认识。
考古学及其他人文科学使用放射性碳定年证明或反驳各种理论。
多年来，碳14定年也应用于地质学、水文学、地球物理学、大气科学、海洋学、古气候学，甚至生物医学领域。
放射性碳定年的领头人美国物理化学家Willard Libby在后二战时代领导一支科学家团队开发了一种测量放射性碳活性的方法。
他被认为是第一位说明生命物质中可能存在名为放射性碳或碳14的不稳定碳同位素的科学家。
Libby先生和他的科学家团队发表了一份文件，对有机样品中首次发现放射性碳的情况进行了概述。
利比先生还是第一位测量放射性衰变率，并且把5568年±30年作为半衰期的科学家。
1960年，Libby先生被授予诺贝尔化学奖，以此承认他在开发放射性碳定年中做出的努力。
碳定年的基本原理放射性碳或碳14是碳元素的不稳定和弱放射性的同位素。
稳定同位素是碳12和碳13。
碳14由于受到宇宙射线中子对氮14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14。
当它们死亡后，立即停止与生物圈的碳交换，其碳14含量开始减少，减少的速度由放射性衰变决定。
碳十四断代法操作方法
碳十四断代法用于测定相对年龄。
以下是碳十四断代法的一般操作步骤：
1. 收集要测定年代的化石或有机物样本。
这些样本应该是有机物质，比如木材、骨骸或贝壳。
2. 制备样本。
将样本中的有机物质提取出来，并去除可能的污染物。
这通常包括清洁和处理样本以去除表面的现代碳。
3. 将样本转化为纯碳。
将样本中的有机物质转化为纯碳。
这可以通过燃烧、酸处理或其他方法来达到。
4. 重建样本的碳十四同位素比例。
将纯碳样本中的碳十四同位素（^14C）与稳定碳同位素（^12C和^13C）进行测量，并确定碳十四与稳定碳的比例。
这可以通过质谱仪等仪器进行测量。
5. 校正碳十四年龄。
由于大气中的碳十四含量随时间而变化，需要校正测得的碳十四含量来计算真实的年代。
这可以通过测量其他稳定同位素的比例来进行校正，比如^13C，以及考虑到大气中的碳十四含量变化曲线。
6. 确定样本的年代。
根据测得的碳十四含量和校正因素，可以计算出样本的年代。
这通常使用公式和计算机模型来进行。
需要注意的是，碳十四断代法只适用于5万年以内的年代，对于更古老的样本，需要使用其他断代方法。
此外，碳十四断代法的准确性还受到一些限制条件的影响，比如样品中有机物的保存状况和大气中碳十四含量的变化。
因此，在进行碳十四断代时，需要对样品进行谨慎选择和处理，并结合其他的年代测定方法进行验证。
碳十四定年法考古学中一个重要的问题就是确定文物或者遗迹所处的年代，也就是所说的定年法。
按照方式不同，定年方式主要分为两大类：相对年代与绝对年代。
相对年代系指以考古学相关知识，推知考古遗址或文化前后的时代排序关系，但是这种方法并不清楚确切时间；绝对年代则是利用一些新的物理化学方法，得知考古遗物距今的确实年代。
在绝对年代的测定中，碳十四定年法最为人所知，也是考古学界目前最常用的定年法。
碳十四定年法于1949年由物理学家J. R. Arnold和W. F. Libby建立，并因此而两人获得了1960年诺贝尔化学奖。
碳十四可以写为C-14，是自然界存在中碳的同位素之一，其原子核内有6个质子和8个中子。
在自然界存在三种碳的同位素，分别是C-12，C-13和C-14。
在碳的三种同位素中，只有C-14具有放射性，能自发的放射出β粒子蜕变为N-14。
C-14的半衰期为5730±40年，也就是每5730±40年，C-14的量会降为原有的一半。
因此只要比较含碳物质中现存的C-14的数量与起始C-14的数量，我们就可以判定含碳物质的年代。
我们可以测量现在含碳物质中C-14的数量，但是我们如何测定现在含碳物质在古代的C-14数量呢?这要从C-14的产生开始说起。
外来的宇宙射线与地球高空大气作用产生中子，中子和大气氮核发生核反应生成C-14。
又由于碳-14可以衰变成N-14，大气中的C-14处在生成和消耗的平衡之中。
因此，当C-14的生成速度和消耗速度相等时，C-14占所有碳原子的比例是一定的。
碳十四具有和其它碳原子相同的化学性质，因此参加自然界碳的交换循环运动。
由于生物体与大气经常发生交换，因此衰变掉的碳十四可经常获得补充，因此活的生物体中碳14的浓度和外界基本一致。
一旦生物体死亡后，其体内的碳十四一直衰变，却得不到补充。
科学家就是利用这一规律，以现代碳十四的放射水平作为标准与测量标本中的碳十四相比较，由此推算出含碳物质碳十四死亡或停止交换的年代。
AMS-14C测试及分析结果1 14C测年法原理14C是稳定的放射性同位素，它可以与氧结合进入生物体内并与大气中的14C保持平衡，被埋藏后的生物遗体中保留的14C在封闭系统中按指数规律自行衰减。
这为14C测年提供了物质保障。
据利贝等研究，近几万年来宇宙射线强度不变，14C的生产率一定，14C的形成和衰减达到平衡，供交换的14C总量不变（曹伯勋，2014）。
因此可以用现代碳样品的放射碳浓度替代样品的初始浓度（I0），故在实际测年中以1950年的14C浓度为原始大气14C的浓度，I为样品现在所测14C浓度，可知样品年龄（t）=（1/λ）ln（I0/I）。
放射性碳法是在第四纪测定年龄方法中测量精度最高、用途最广和最成熟的方法，广泛应用于50Ka BP（晚更新世晚期-全新世）以来的地质、环境和考古研究（曹伯勋，2014）。
现今14C测年常用方法包括常规测年法和加速器测年法（余华贵等，2007）。
前者测试仪器是液体闪烁仪（LSC），原理是计数样品中14C原子衰变时放出的β射线（仇士华等，1997）。
这种测试方法具有测试时间长（即效率低）、样品需求量大等缺点（陈铁梅，1990）。
后者测试仪器是加速质谱仪（AMS），原理是直接测试样品中的14C原子数。
这种测试方法具有测量精度高、样品需求量少（几毫克到几百毫克）、测量时间短等优点（余华贵等，2007等；仇士华等，1997等；陈铁梅，1990；卢雪峰等，2003；焦文强等，1998；郑同明等，2010；张婷等，2011）。
根据常规测年法和加速器测年法优缺点，并结合岩性特征，本次样品测年方法选用后者。
2 14C样品采集和前期处理样品采集要求：采集未受污染的新鲜样品，取样要求是木炭、干燥木头和其他植物遗体、干燥泥炭、贝壳等样品。
为避免污染样品，及时用塑料袋封装样品，贴上标签后置于阴凉处，并及时送实验室测试。
采集送样的样品需要经过前处理才可上机测试。
样品前处理步骤如下：第一步：取适量样品，放于烧杯中，加入蒸馏水浸泡，在超声波清洗器中震荡至样品完全分散，使用180目网筛去除样品中大于80μm的杂质。
放射性同位素在现代考古学中的应用——１４Ｃ年龄测定法在现代考古学中，利用放射性同位素的衰变特性能够准确地测定一些古代生物的年龄或年代；１４Ｃ年龄测定法已是确定大约几万年内事件的主要依据了．本文试就１４Ｃ年龄测定法的原理和测定方法作简单的介绍．一、１４Ｃ年龄测定法的原理１４Ｃ是普通碳（１２Ｃ）的放射性同位素．由于宇宙射线中的中子与大气中的１４Ｎ可发生以下核反应，故大气中的１４Ｎ不断产生１４Ｃ，而是碳的一种同位素，是不稳定的，具有β－放射性．其衰变方程为（中微子），１４Ｃ产生后又不断衰变，其半衰期为5730年．这两种过程，即１４Ｃ的形成和衰变过程，经过相当长的时间后在大气中形成１４Ｃ的动态平衡，使１４Ｃ在大气中的所含成份为恒量．产生的１４Ｃ很快与氧气结合成ＣＯ２．大气中的ＣＯ２中除含有１４Ｃ，也应含有１４Ｃ，并且这两种同位素含量几乎保持不变．大气中ＣＯ２所包含的１４Ｃ对１４Ｃ的比约为1．3×10－１２．活的植物通过光合作用吸收ＣＯ２，使吸收到植物体内的碳既含有１４Ｃ，也含有１２Ｃ，活着的动物吃植物和呼吸作用将１２Ｃ和１４Ｃ摄入体内，这一系列过程的结果是所有活着的生物体内１２Ｃ和１４Ｃ的含量保持着与大气中一样的比例．一旦生物在某一时刻死亡，它就中断了１４Ｃ的摄取，体内１４Ｃ就不会再得到补充，而原有的１４Ｃ由于不断衰变，它的含量逐渐减少，每经过一个半衰期，１４Ｃ就减少一半，年代越久，残骸中１４Ｃ就越少．因此，通过测定这些残骸中的１４Ｃ的含量，然后计算出过去这些１４Ｃ何时与现代生物体中的１４Ｃ含量相等，就可以确定该生物死亡的年代．二、怎样确定古生物的年龄测定时，通常是取一定质量的残骸（碳）样品，根据生物刚死亡时体内１４Ｃ的含量与现在大气中１４Ｃ的含量相等，计算出这些样品在生物刚死亡时１４Ｃ的原子数目Ｎ０，再测定出现在这些样品中１４Ｃ的原子数目Ｎ，由放射性元素的衰变规律可得Ｎ＝Ｎ０ｅ－λｔ，①式中λ是衰变常数，ｔ是生物死亡至现在的时间．由①式可求得ｔ＝（1／λ）ｌｎ （Ｎ０／Ｎ）．②由②式可知，要求出时间ｔ关键是确定λ和Ｎ．1．放射性元素的衰变常数与半衰期的关系放射性元素的原子核有一半发生衰变的时间称为半衰期，用T表示．也就是当ｔ＝Ｔ时，Ｎ＝（Ｎ０／2）．由①式得（Ｎ０／2）＝Ｎ０ｅ－λΤ，由此式易得λ和Ｔ的关系式为λ＝ｌｎ2／Ｔ＝0．693／Ｔ．③这就是衰变常数与半衰期的关系．2．衰变常数λ的物理意义设ｔ→ｔ＋Δｔ时间间隔Δｔ内，某核素所衰变掉的数目为ΔΝ，由①式可得ΔΝ＝Ｎ０ｅ－λｔ－Ｎ０ｅ－λ（ｔ＋Δｔ）＝Ｎ０ｅ－λｔ（1－ｅ－λΔｔ）＝Ｎ（1－ｅ－λΔｔ），当Δｔ足够小时，有ｅ－λΔｔ≈1－λΔｔ，所以有ΔΝ＝ＮλΔｔ，即λ＝（1／Ｎ）·（ΔΝ／Δｔ）．④式中ΔΝ／Δｔ为单位时间衰变掉的原子核数目，再被ｔ时刻的核数目Ｎ除，表示λ代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几率．它是放射性元素的特征量，与外界条件无关．3．放射性强度与放射性原子核数目的关系定义放射物质在单位时间内发生衰变的原子核数为该物质的放射性强度（即衰变率），用A表示，根据衰变常数λ的物理意义，即可得某一时刻ｔ的放射性强度为Ａ＝λΝ，⑤N为ｔ时刻放射元素的原子核数目．放射性强度的单位是居里（Ｃｉ），1Ｃｉ＝3．7×10１０次核衰变/ｓ．由⑤式可知，只要测出一定质量样品的放射性强度A，就可求出ｔ时刻一定质量的样品的放射性原子核数目N．综上所述，只要知道核素的半衰期和用仪器测量出一定质量放射性样品的放射性强度，就可确定古生物的年龄了．例 现测得新疆古尸骸骨的100ｇ碳的β－衰变率为900次/ｍｉｎ，试问此古尸已有多少年历史? 解 已知1ｍｏｌ（12ｇ）碳中含原子核的数目为6．022×10２３个，因此刚死亡时100ｇ碳中１４Ｃ的原子数为Ｎ０＝100／12×6．022×10２３×1．3×10－１２＝6．52×10１２个．又根据测得的放射性强度（即衰变率）可得现在100克碳中的原子核数为Ｎ＝Ａ／λ＝ＡＴ／0．693＝（900×5730×365×24×60）／0．693＝3．91×10１２个．由②、③式可得ｔ＝（1／λ）ｌｎ（Ｎ０／Ｎ）＝（Ｔ／0．693）ｌｎ（Ｎ０／Ｎ）＝（5730／0．693）ｌｎ（6．52×10１２／3．91×10１２）≈4200年即古尸的死亡时间约有4200年．。
