放射性碳

碳元素的多种同位素之一

放射性碳同位素—— 碳14（）,于1936年被发现,为碳元素的多种同位素之一。

定义

放射性碳同位素—— ,于1936年被发现,为碳元素的多种同位素之一。其中、、的比度分别为98.89%、1.11%和0.00000000010%。 Arnold和Libby首先测定了其半衰期为5568年,测定上限一般为5～ 6× 104a。含量通常用样品的放射比度表示,即每克碳的放射性活度(Bq/gC)。实际中常使用相对浓度单位(A)表示,即现代碳百分含量(pmc或%mod)。

标准样品是国际规定的、1840～ 1860年间生长的树木的碳(未受工业污染),其放射性比度为0.226Bq /gC,定义为100%mod。但是由于标准样品难以取到,故实际中使用NBS-4990草酸(Ox1) (1950)。两者关系为: As=0.95× AOx1。后来又使用了新的一批草酸(Ox2),其与标准放射性关系: As=0.7459×AOx2。

来源

放射性碳的来源有二：一是天然源,即在平流层和对流层之间的过渡地带由二次宇宙射线的慢中子轰击氮原子而生成。

二为人工源,即由人类进行核反应(包括空中核爆炸、核反应及加速器)而产生。生成的14-C在大气层中又迅速与氧结合,形成14-CO2并与不活泼的14-CO2相混和,遍布于大气圈中。

技术进展

现代放射性碳同位素方法的进步主要体现在两个方面,即,待测样品的制取和测试技术。最早用来成功测定14 C的放射性的方法是固体法。 Libby将标本用化学方法制备成纯净碳末涂在屏栅盖革管的管壁作阴极,同时计数管用重金属层屏蔽以除去大部分宇宙射线和环境放射性,在标本计数管外围一圈盖革管以消除宇宙射线中高能带电离子,从而成功测定了样品的14C放射性,奠定了放射性碳同位素方法的基本理论及实验基础。之后,随着正比计数的发展,1953～ 1954年间建成了气体法,因其在操作和精确度方面的优势逐渐取代了固体法。依据某些物质给高能粒子碰撞候其分子被激发出并伴随发光现象,液体闪烁分光计技术逐渐发展起来,至今在实验室里仍被普遍使用。遗憾的是,液体闪烁计也会受到苯中杂质的影响使输出脉冲电流减弱,需要进行修正。近年来许多学者对它进行改进,取得了更好的效果。如Charman等研制了ICELS系统,使得14C的测定精度超过了以往很少出现的0.04% 。然而,直到加速器质量分光计(Accelerator Mass Spectrometry)的发明及使用,才使得14C的测试技术真正跃入了新的阶段,这对放射性碳同位素研究的发展起到了极大的推动作用。

1977年,这种设备由Rochester/Toronto和the GeneralIonex Corporation发起,后于Simon Fraser& Mc-Master大学研制成功。与传统方法相比,其测量敏感度很高,可达到10-15 (同位素比值),所需样品量却只要毫克级,而且测定时间也大大缩短。虽然现在全世界已有130余个放射性碳测年实验室,但是由于AMS的造价昂贵及测定费用过高,使该技术的普遍使用受到一定限制。然而,许多因素仍对放射性碳测定技术有一定影响,如半衰期的测定、同位素的分馏以及大气中14C浓度变化等。因此,测试数据结果常呈现不准确性、偏离性甚至是导致非正常值的出现,每10到20个14 C测年数据就有1个远离正常值。可见,使用统计方法对14C年龄进行校正十分必要。值得一提的是,由树轮、珊瑚、有孔虫类获得数据而绘制的IntCal校正曲线,2004年又推出了最新版本取代了1998版本,把可校正年龄又向前推进了2000年,达到26 000年。随着信息技术的发展,目前许多计算机软件程序已被用于14C研究的数据分析和校正中,从而大大提高了数据的处理效率和测定精度。例如,英国谢菲尔德大学概率统计学院研制的B Cal系统可以在线查询校正曲线年龄; P.J.Reimer和R.W.Reimer研制的CaliBomb程序专门为核爆炸后14 C测定提供在线校正;除此之外,还有P.J. Reimer,和R.W. Reimer的CALIB 5.0,J.vander Plicht的WinCal25等软件。进行放射性碳研究的数据处理量巨大,因此能够提供高效存储、查询的数据库的建立则显得十分迫切和必要。目前,美国、加拿大、英国、意大利等国已经分别建立了这种数据库和搜索引擎。

应用

一方面是用于测年, 1952年美国科学家Libby发表了《 Radiocarben Dating》一书,标志着14C测年法的诞生。其主要原理为14 C与12 C的比值在自然界(包括大气圈、生物圈)中保持基本不变,当生物体死亡后,新陈代谢停止,不再摄入14C,而14C又继续衰变,因比值不断增大,就可以通过该比值的测定来算出生物体死亡的年代。这一方法被广泛用于考古、地质科学的研究中。另一方面则是标记作用,即用14 C取代化合物中12C,与未标记化合物相比,物理化学性质没有改变,只是带有放射性。这样,通过放射性的测量人们就可以清楚的得到化合物运移的路径和过程。这一方法被广泛用于医学、地质、农业、水利等行业。

14C对于水文地质的研究也具有相当重要的意义。大气圈中不断生成的新的14C由于其自身的衰变和被生物圈和水圈的物质吸收,从而使得大气中14 C浓度维持相对的动态平衡。其中每年生成天然14 C约9.8 kg,大气中总累积量约80 t。许多学者对大气中14C的产生速率及其分布、变化进行了研究(例如,K.Hughen等[4]; Usoskin[5])。大气圈中14C通过光合作用和呼吸作用进入生物圈,同时与水圈及岩石圈进行交换。这样,在大气圈、生物圈、水圈及岩石圈中14C的循环得以形成,其相互关系密切。

可见,在这种天然循环的过程中,14 C所带入的各种环境信息,无疑与各种水体的成因密切相关,而且,各水体中所含14 C物质从交换储存库转入非交换存库,也间接赋予以定年的意义。除此之外,水文地质条件的复杂性使得补、排边界以及地下水流动路径难以确定,地下水岩作用的过程更是无法弄清,而14 C的灵敏示踪剂本领恰恰弥补了手段的不足,为水文地质学的研究增添了无限的动力。14C技术的不断进步,对水文地质学发展起着广泛的推动作用。

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