放射性同位素14C进行考古断代的原理是什么

发布网友发布时间：2022-05-15 10:07

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热心网友时间：2022-07-11 09:23

一、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。

要说明的是， 14 C 测年法基于几个假设条件之上： ① 假设大气中 14 C 的产生率不变。地球上的交换碳近数万年来基本恒定，但 19 世纪后半叶工业活动的增加， 20 世纪原子弹的爆炸形成的工业效应、原子弹效应，已减少了大气中 14 C 的含量。 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。半衰期最初为 5568 年，近年来推算应为 5730 年。但这个对研究影响不大。 ③ 地球上各交换库中 14 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 14 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 14C 对大气影响很大）， 1850—1950 年间的样品因工业化过程释放的 CO2 使得 14C 测年数据稍偏老。

2 、碳十四断代法的优缺点

14C 断代法是目前最精确的测年方法，具有许多优点。（ 1 ）测量范围广，可测定 1000— 50000 年内的考古样品。（ 2 ）样品易得，凡是含碳的骨头、木质器具、焦炭木或其它无机遗留物均可。（ 3 ）对样品要求不严，埋藏条件不要求，取样也很简单。尽管如此， 14 C 断代法仍存在一些问题。 ① 测量范围有限，受半衰期规律的*，其最大可测年限不超过四万年，而且样品年龄愈老，愈接近此极限值，测量误差愈大。 ② 合适的样品难以采集，要满足纯粹不受污染而且要求一定的重量。如古代样品在埋藏中易受到后代动植物腐烂后的可溶碳化合物的污染；一些珍贵样品不能大量取样。 ③ 必须使用大量的样品，而且测量时间较长。 ④ 因种种原因，过去大气中的 14 C 放射性水平不稳定、 14 C 粒子衰变本身的波动性，那么用现代统一的 C 标准测定的年代不能等同于日历，只能是 14 C 年代，现在这个问题已得到解决，即用树木年轮法校正。

3 、现状和应用

中国社会科学院考古研究所在碳 14 断代工作的成绩尤为突出，是全国同类实验室中建立时间最长、公布数据最多的一个实验室。由于古陶瓷几乎不含碳，所以 14 C 断代法在古陶瓷断代方面失去效用。

4 、加速器质谱碳十四测年方法

针对 14 C 测年法的局限性， 70 年代末加速器质谱碳十四计数法应运而生，以 1978 年在罗切斯特大学召开的第一次国际加速器质谱会议为诞生标志。加速器质谱测年技术（ AMS— —Accelerator Mass Spectrometry ）与 14 C 年代法原理相同，只是以对碳十四原子计数代替对 β 粒子的计数。 AMS 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 10-5 至 10-6 ，误差能达到不超过 0.3%±18 年。第三测定年代扩展到 7.5-10 万年。第四，测量时间短，一般几十分钟就可测试一个样品。还有， AMS 不受环境影响，不象 β 线计数要考虑宇宙光体。 AMS 14C 断代法自问世以来，广泛应用于考古学、古人类学、地质学、物理学、天体物理学、环境科学、生物医学等领域。

AMS 超过 14 C 断代法对新石器时代完整年代序列的成就，因其取样少（加速器质谱仪为小样品或含碳量极少的样品）给 14 C 分析带来了新的途径，甚至可以解决其他问题，诸如陶器起源的追溯、人类祖先何时到达美洲、农业起源的时间等问题。

热心网友时间：2022-07-11 10:41

放射性是所有物质都有的，只是程度不同而已。那些半衰期和人类历史跨度较为相近的，比如半衰期大约为5715年的C-14同位素，就成为了很理想的考古断代的元素。
对于C-14，每过大约5715年就有一半于其原质量的C14衰变为更加稳定的元素。在活着的时候，动植物在体内的c-14衰变的同时也会从大气中或食物中摄入新的c-14，但是死后这种交换就停止了，体内的c-14得不到补充，只能一直衰变直到耗尽为止。将出土样本中c-14所占比例于估算的大气中的c-14比例进行比较就能大概算出样本中的c-14已经进行了多少年的放射性衰变，也就是样本已经入土了多少年。

热心网友时间：2022-07-11 12:16

宇宙射线同地球大气发生作用产生了中子，当热中子击中14N发生核反应并与氧作用便产生了地球上的14C。在大气环境中新生14C很快与氧结合成含14C的14CO2，并与原来大气中CO2混合，参加自然界碳的交换循环，所有生物都含有14C，且14C又不断地衰变成14N。由于循环作用，所有的有机体都会通过新陈代谢使其体内的14C浓度与大气中14C的浓度保持动态平衡。
一旦生物体死亡，其放射性碳物质与周围环境中的交换就会停止，且其中的14C含量就按照放射性衰变规律逐渐减少，经过5730年减少为原来的一半；衰变过程中放射出β粒子（14C→14N+β）。因此，可以计算出生物与大气停止交换的年代。