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放射性碳定年簡介

  • 碳14 是放射性非常微弱的碳同位素;也稱為放射性碳,它是一個同位素計時器。
  • 放射性碳定年僅適用於有機和一些無機材料(不適用於金屬)。
  • 氣體正比技術、液體閃爍技術以及加速器質譜是三種主要的放射性碳定年方法。

放射性碳定年技術對現代人類產生了重要影響,成為20世紀最重大的發現之一。没有其他科學方法能像放射性碳定年技術那樣,不僅改變了人類對現在的認識,也改變了人類對數千年前已經發生事件的認識。

考古學 和其他人文科學使用放射性碳定年證明或反駁各種理論。多年來,碳14定年也被應用於地質學、水文學、地球物理學、大氣科學、海洋學、古氣候學,甚至生物醫學領域。

碳定年的基本原理

放射性碳(或稱碳14)同位素是不穩定和弱放射性的碳元素。碳12和碳13是穩定的同位素。

碳14由於受到宇宙射線中子對氮14原子的作用,於大氣上層不斷形成。它在空氣中迅速氧化,形成二氧化碳並進入全球碳循環。

動物和植物在它們的一生中都從二氧化碳中吸收碳14。當它們死亡後,就停止與生物圈的碳交換,其碳14含量開始減少,減少的速度由放射性衰變决定。

放射性碳定年本質上是一種用來測量剩餘放射能的方法。

測量放射性碳的主要方法

Beta AMS Lab

有三種主要技術用於測量任一樣品的碳14含量:氣體正比計數、液體閃爍計數和 加速器質譜.

氣體正比計數計算樣品發射的β粒子,是一種傳統放射性定年技術。β粒子是放射性碳衰變的產物。在此方法中,碳樣品首先轉換成二氧化碳氣體,然後才在氣體正比計數器上進行測量。

液體閃爍計數是另一種放射性碳定年技術,在1960年代很受歡迎。在此方法中,樣品為液體形式,並添加了閃爍體。當閃爍體與β粒子相互作用時會產生閃光。一個裝有樣品的小瓶在兩個光電倍增管之間通過。只有當兩個設備都有閃光,才能計數。

加速器質譜(AMS)是一種現代化的放射性碳定年法,被認為是衡量樣品放射性碳含量較為有效的方法。在此方法中,直接測量碳14與碳12和碳13的相對含量。該方法不計算β粒子,而是計算樣品中存在的碳原子數量以及同位素的比例。

可進行放射性碳定年的材料

並不是所有的材料都可以進行放射性碳定年。大多數有機物(不是所有)都可以進行碳定年。此外,一些無機物質,如貝殼的文石(主要是CaCo3)成分,雖然為無機物,但是也可以進行碳定年(只要礦物的形成有吸收碳14,並保持與大氣的碳14濃度相當即可)。

自採用該方法以來,已進行過碳定年的樣品包括 木炭木頭、樹枝, 種子骨頭貝殼、皮革、泥炭、湖泊淤泥, 土壤、頭髮、陶瓷孢粉、壁畫、珊瑚、血液殘留物、布料、紙或羊皮紙、樹脂和等等。

在分析這些物質的放射性碳含量之前,先要對它們進行物理和化學預處理以去除可能存在的污染物。

放射性碳定年標準

透過測量某一年齡不詳樣品的碳14含量,並將該結果與近代和背景樣品中的碳14活性進行比較,可以測定出它的放射性碳年齡。

放射性碳定年實驗室採用的主要現代化標準是Oxalic Acid I,它是由美國馬里蘭州國家標準與技術研究所制定的 。該標準中的草酸來自於1955年的甜菜。Oxalic Acid I中約95%的放射性碳活性等於絶對放射性碳標準所測量的放射性碳活性,即1890年未受化石燃料效果影響的木材。

當 Oxalic Acid I 儲備幾乎完全消耗掉時,科學家又制定了另一個取自於1977年法國甜菜糖蜜的標準。新的標準稱為 Oxalic Acid II,其證明在放射性碳含量方面僅與草酸略有不同。多年來,相繼制定了其他二級放射性碳標準。

為了去除樣品分析過程中獲得的結果夾雜背景材料的活性,還要測定背景材料的放射性碳活性。測得的樣品放射性碳定年結果,須扣除背景放射性碳活性的值。被分析的背景樣品通常是諸如煤、褐煤和石灰石等年齡古老的地質作用形成物質。

放射性碳定年

放射性碳測試被稱為常規放射性碳年齡(CRA)。CRA公約包括(一)採用Libby半衰期、(二)採用Oxalic Acid I 、Oxalic Acid II 或任何適當的二級標準作為近代放射性碳標準、(三)將樣品同位素分餾校正為每千-25.0的正常值或基值(相對於南卡羅來納州Peedee白堊紀箭石地層中,碳酸鹽岩標準VPDB中的碳12/碳13比例)、(四)零BP(迄今)為公元1950年,以及(五)全球放射性碳含量不變的假設。

由於 放射性碳定年結果報告中還包括標準誤差,因此採用“±”值。這些值透過統計方法獲得。

放射性碳定年的先驅

美國物理化學家 Willard Libby在後二戰時期領導一支科學家團隊開發了一種測量放射性碳活動的方法。他被視為首位主張,生命物質中可能存在名為放射性碳或碳14的不穩定碳同位素的科學家。

Libby先生和他的科學家團隊發表了一篇文章,概述在有機樣品中首次發現放射性碳的情況。Libby先生也是首位測量放射性衰變率,並把5568年± 30年定為半衰期的科學家。

1960年,Libby先生被授予諾貝爾化學獎,以此認可他在開發放射性碳定年中做出的努力。

參考文獻:
1. American Chemical Society National Historic Chemical Landmarks. Discovery of Radiocarbon Dating (accessed October 31, 2017).
2. Sheridan Bowman, Radiocarbon Dating: Interpreting the Past (1990), University of California Press