放射性碳测年简介

  • Willard Libby利用检测放射能的方法发展出放射性碳测年。
  • 碳14 是放射性非常微弱的碳同位素;也称为放射性碳,它是一个同位素计时器。
  • 放射性碳测年仅适用于有机和一些无机材料(不适用于金属)。
  • 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测年方法。
  • 放射性碳测年实验运用Oxalic Acid I 和Oxalic Acid II为现代标准。
  • 放射性碳测试一般报告为常规放射性碳年龄。

放射性碳测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测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事件的认识。

考古学和其他人文科学使用放射性碳测年证明或反驳各种理论。多年来,碳14测年也被发现应用于地质学、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。

放射性碳测年的领头人

美国物理化学家 Willard Libby在后二战时期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体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篇文章,对有机样品中首次发现放射性碳的情况进行了概述。Libby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,以此认可他在开发放射性碳测年中做出的努力。

碳测年的基本原理

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。

动物和植物在它们的一生中都从二氧化碳中吸收碳14。当它们死亡后,就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。

放射性碳测年本质上是一种用来测量剩余放射能的方法。通过了解样品中残留的碳14含量,就可以知道有机体死亡的年龄。但必须指出的是,放射性碳测年结果表明的是有机体死亡的时间,而不是源自该有机体的材料的使用时间。

可进行放射性碳测年的材料

并不是所有的材料都可以进行放射性碳测年。大多数有机物(不是所有)都可以进行碳测年。此外,一些无机物质,如贝壳的文石(主要是CaCo3)成分,虽然为无机物,但是也可以进行碳测年(只要矿物的形成有吸收碳14,并保持与大气的碳14浓度相当即可)。

自采用该方法以来,已进行过碳测年的样品包括木炭, 木头, 树枝, 种子, 骨头, 贝壳, 皮革, 泥炭, 湖泊淤泥, 土壤, 头发, 陶瓷, 孢粉, 壁画, 珊瑚, 血液残留物, 纺织品, 纸或羊皮纸,树脂和等等。

在分析这些物质的放射性碳含量之前,先要对它们进行物理和化学预处理以去除可能存在的污染物。

测量放射性碳的主要方法

Beta AMS Lab

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、液体闪烁计数和加速器质谱

气体正比计数是一种计算给定样品发射的β粒子的传统放射性测年技术。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。

液体闪烁计数是另一种放射性碳测年技术,曾经在20世纪60年代很受欢迎。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。

加速器质谱(AMS)是一种现代化的放射性碳测年法,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。

放射性碳测年标准

通过测量某一年龄不详的样品的碳14含量,并将该结果与近现代和背景样品中的碳14活性进行比较,可以测定出它的放射性碳年龄。

放射性碳测年实验室采用的主要现代化标准是Oxalic Acid I,它是由美国马里兰州国家标准与技术研究院制定的 。该标准中的草酸来自于1955年的甜菜。Oxalic Acid I中约95%的的放射性碳活性等于绝对放射性碳标准测量的放射性碳活性,即1890年未受化石燃料效果影响的木材。

当 Oxalic Acid I 储备几乎完全消耗掉时,科学家又制定了另一个基于1977年法国甜菜糖蜜的标准。新的标准称为 Oxalic Acid II,被证明在放射性碳含量方面仅与草酸略有不同。多年来,相继制定了其他二级放射性碳标准。

为了去除样品分析过程中获得的结果夹杂背景材料的活性,还要测定背景材料的放射性碳活性。测量背景放射性碳活性后得到的值需从样品的放射性碳测年结果中扣除。被分析的背景样品通常是诸如煤、褐煤和石灰石等年龄古老的地质成因物质。

放射性碳测年

放射性碳测定值被称为常规放射性碳年龄(CRA)。CRA公约包括(一)采用Libby半衰期,(二)采用Oxalic Acid I 或 II 或任何适当的二级标准作为近现代放射性碳标准,(三)将样品同位素分馏校正为每千-25.0的正常值或基值(相对于南卡罗来纳州Peedee白垩纪箭石地层中的碳酸盐岩标准VPDB中的碳12/碳 13的比例),(四)零BP(迄今)规定为公元1950年,以及(五)全球放射性碳含量不变的假设。

由于放射性碳测年结果报告中还包括标准误差,因此采用“±”值。这些值通过统计方法获得。