放射性碳定年法

放射性定年法

放射性碳定年法（Radiocarbon dating），又称“碳十四断代法”或者“碳—14年代测定法（Carbon-14 dating）”，是利用自然存在的碳14 同位素的放射性定年法，用以确定原先存活的动物和植物的年龄的一种方法。该方法可测定早至五万年前有机物质的年代，对于考古学来讲，这是一个准确的定年法技术。

原理

我们都知道，在地球大气层中有大量的氮14，氮14有7个质子和7个中子。在宇宙射线的作用下，氮14得到一个中子同时失去一个质子变为拥有6个质子和8个中子的碳14。因为碳14特殊的原子结构导致它非常的不稳定，所以被称为放射性碳同位素。

碳14 与空气中的氧气结合形成含碳14的二氧化碳。植物通过光合作用吸收二氧化碳，动物食用植物，人类食用植物和动物。这样碳14就在整个生物链中流通。由于大气中含有大量的氮14，所以宇宙射线不断作用于氮14就会不断产生碳14。大气中会不断产生碳14，植物不断吸收大气中含有碳14的二氧化碳，这样碳14在食物链中流通，当植物、动物和人类死亡的时候，其体内的碳14就开始衰变。这样碳14的形成和碳14 的衰变就处于一个动态平衡的状态。所以我们可以认为生物体内的碳14的含量与其当时中大气碳14的含量是相等的。

由于生物的新陈代谢，包括植物光合作用及生物的呼吸作用等，碳14在整个食物链中处于一个动态平衡的过程。可以理解为整个生物圈中的碳14的含量在某个时期与当时的大气中的含量是相同的。

氮14和宇宙中子形成放射性碳14，碳14立即被氧化形成含有碳14 的二氧化碳。当生物死亡之后，放射性碳14 立即开始衰变形成稳定氮同位素和一个中子，碳14的半衰期为5730年。可以用下面的一个简单的动态变化图来直观表达大气中放射性碳形成和衰变的循环过程。不断地形成和不断地衰变得动态过程我们就可以看作是一个稳定的碳14环境。

生物死亡之后就不再吸收碳14，但是碳14的衰变仍在继续。图1中红色的线就是碳14衰变正弦曲线。当一个半衰期之后，就只剩下一半的碳14，第二个半衰期之后就只剩下四分之一的碳14，以此类推。所以测试样品中剩余碳14的含量就可以知道样品的年龄。理论上碳14的含量不断减少但永远不会为零只是无限接近零。但是对于50000年之前的样品，碳14含量非常少，所以测试结果基本就不可靠。

校准

由于银河宇宙射线的频率会发生变化，所以大气中生成C14的速率及含量会有变化，所以C14测年的得到的年龄与样品真实的年龄存在一定的差距。在图2中可以看到红色曲线所代表的真实年龄和未经过校正的蓝色半衰期年龄直线的关系。所以最后得到的年龄并不是直接测得的C14年龄。

所以真正的测试结果年龄是需要经过校正的。校正之后的年龄范围一般用cal BP或者cal AD/BC表示。校正之后的年龄区间与放射性碳测年的年龄对应关系取决于国际公认的数据库的对比校正。

应用

考古学

历史学、人类学和考古学是三个截然不同但密切相关的知识体系，它们借助过去告诉人类。历史学家可以知道不同地区有哪些文化曾经兴盛，以及它们衰落的时间。人类学家可以描述人的生理特征、文化、环境和社会关系。考古学家则证明文物的存在或揭开历史或人类学的发现。

没有其他任何科学能像考古学那样，毋庸置疑地丰富了人类的历史。考古学已设法解开了人类很大一部分未留下记录的历史之谜。

和生物科学不一样，研究以前人类生活和活动残留的材料对普通人来说可能并不重要或令人兴奋。但是，考古学旨在了解人类，它是一项超越发掘宝藏、收集信息和测定年龄的崇高事业。正是了解了昔日文化不再存在的原因后，人类才明白了确保历史不会重演的关键所在。

多年来，如果不是凭借放射性碳测年，树轮年代学，古地磁断代，氟化物测年，光释光测年以及黑曜石水化分析等技术，考古学发现的历史文化信息将永远都不被人所知。放射性碳测年技术的应用已有50年了，它彻底改变了考古学。碳14测年迄今仍是一项强大可靠的、广泛适用的技术，对于考古学家和其他科学家来说极其宝贵。

树木年轮年代学

树木年轮年代学是基于树木成长时树木的年轮也在增加这一现象，故名树木年轮测定。树木年轮学家通过分析和比较树木和年老木头的年轮样式测定过去的环境中的事件和变化。他们可以判断各树木年轮形成的准确历年。

树木年轮测定结果在放射性碳测年的初期起到了重要作用。树木年轮提供了检查碳14测年方法的准确性所需要的年龄已知材料。在20世纪50年代后期，几位科学家（特别是荷兰人Hessel de Vries）能够根据树轮的碳测年收集的结果确认放射性碳年龄和日历年龄之间的差异。树轮根据树木年轮学测定。

树轮仍用于校正放射性碳测年结果。不同日历年龄的树木年轮库可以提供持续至过去1.1万年的记录。通常被用作参考的树有美国的狐尾松（松属细叶）以及爱尔兰和德国的涝栎（栎属）。放射性碳测年实验室一直使用其他树木物种的数据。

树轮的放射性碳校正

原则上，通过比较某含碳样品的放射性碳含量和一个已知日历年龄的年轮放射性碳含量，就可以很容易确定样品的年龄。如果样品的放射性碳含量和树轮的一样，则可以有把握地得出它们的年龄相同的结论。

在实践中，由于许多因素，树轮校正并没有那么简单。其中最重要的是，对树木年轮和样品进行测量结果的精准度有限，因此得到的是一个估计的历年范围。

事实上，校正结果往往给出的是年龄范围，而不是一个绝对值。年龄范围采用截断方法或概率方法计算，两种方法都需要校正曲线。

地下水放射性碳测年

地下水测年可以表明地下水停止和空气等其他物质直接接触的时间，例如它可以表示水何时流入地下。然而，对于生存于含水层露头区和空气中的植物，在计算它们产生的碳酸盐种类时还需考虑到含水层（母岩）中古代碳沉积的作用，这增加了许多不确定因素，使得测年结果存在误差。由于这个原因，地下水的放射性碳测年在重复取样的时候变得最有效。在这个情况下，存在不确定因素而获得的绝对年龄并不是解读的主要数据。未校正的表观年龄才是主要数据。它们在研究中和其他表观年龄进行对比。这可以很大程度的修正不确定因素。在所有情况下，最有效的数据都是来自这些对比而不是某一确切年龄。同样地，未修正的表观年龄也可以被解释为最大年龄等，地下水的真实年龄可能等于或者小于它们的表观年龄。

通过提取水中的碳酸盐用于放射性碳测年，该测量可以提供有关地下水沉积补给以及水流流向和频率的信息。这对于来自10- 40,000 年的样品都有效。

地表水和降雨从空气中吸收少量二氧化碳后流入地下。离开大气层后，水开始接触到土壤气体，在这里植物（根的呼吸作用）气体分压产生的二氧化碳要高得多。这些来源中的放射性碳被称为“现代”级别，在年龄计算中作为参考。一般情况下，一个含水层需从20至60口以上的水井中取样。若取样少于10口井则不适合研究，在此情况下，年龄的解释会不够准确。

若含水层含有化石碳，如泥炭或者褐煤，那么放射性碳测年可能会出现模棱两可的结果，而这些含水层也不适合运用放射性碳测年这个方法继续研究。来自表层的水能够提供有用的表观“年龄”，但是存在着一个无法避免的问题，那就是碳稀释校正，因为在水中，二氧化碳在压力下很容易形成气泡涌出而出现同位素效应。在这种情况下，我们无法计算一个“最佳预计年龄”。

放射性碳与生物基测试

放射性碳测年法适用于在工业产品中生物基含量测量,因为产品中包含了一些近代的生物质材料和石化衍生材料的组合。为此开发的标准称为ASTM D6866。

近代的生物质材料(生物基成分)含有碳14,石化衍生材料(来自石油)没有。因此所有的碳14产品来自生物基成分。对于一个包含生物质成分和石化衍生成分的产品，ASTM D6866分析将用碳14含量来计算产品中有多少是来自植物成分，有多少来自石油衍生成分。

例子: 通过ASTM D6866，100%来源石油衍生成分的聚乙烯制作的产品只有0% 的生物基含量,而一个由100%来源于植物的聚乙烯制作的产品将有一个100%的生物基含量结果。

通过ISO / IEC 17025:2005认证的Beta实验室除了放射性碳测年外，还为全世界的产品制造商、分销商和研究人员提供生物基产品、生物燃料、垃圾衍生燃料和燃烧排放气体（CO2气体）的生物基/可再生碳含量测试。

实验室利用碳-14原理进行天然产品来源测试，如香精、香料、精油、化妆品和补充剂，来识别产品中的化石衍生来源成分。

标准曲线

一个国际团队最新报告说，他们基于大量数据修订了近5.5万年的放射性碳测年法校准曲线，进一步提升了这种测年法的准确性。

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