放射性同位素14C進行考古斷代的原理是什麼

2021-08-08 05:43:49 字數 3048 閱讀 3962

1樓:鄭端子昱

一、碳十四測年法

碳十四測年法又稱放射性同位素(碳素)斷代法,一般寫作 14 c 。 14 c 斷代方法由美國 芝加哥大學利比( libby )教授於 1949 年提出。

1 、碳十四斷代法的原理

自然界存在三種碳的同位素: 12c ( 98.9% ) , 13c (1.

19%), 14c (10-10%) ,前兩者 比較穩定,而 14c 屬低能量的放射性元素。 14 c 的產生和衰變處於平衡狀態,其半衰期 為 5730±40 年(現在仍使用 5568±30 年)。宇宙射線同地球大氣發生作用產生了中子, 當熱中子擊中 14 n 發生核反應並與氧作用便產生了地球上的 14 c 。

在大氣環境中新生 14 c 很快與氧結合成 14 co2 ,並與原來大氣中 co2 混合,參加自然界碳的交換迴圈。植 物通過光合作用吸收大氣中的 co2 ,動物又吃植物,因而所有生物都含有 14 c 。生物死 後,屍體分解將 14 c 帶進土壤或大氣中,大氣又與海面接觸,其中的 co2 又與海水中溶 解的碳酸鹽和 co2 進行交換。

可見凡是和大氣中進行過直接、間接交換的含碳物質都含 14 c 。同時 14 c 又以 5730 年的半衰期衰變減小;加上碳在自然界的迴圈交換中相當快,使 得 14 c 在世界各地的水平值基本一致。如果生物體一旦死亡, 14 c 得不到補充,其中的 14 c 含量就按放射性衰變規律減少,經過 5730 年減少為原來的一半。

因此可以計算出生 物與大氣停止交換的年代 t ,即推算出生物死亡的年代。所以,一切死亡的生物體中的殘 存有機物以及未經風化的骨片、貝殼等都可用 14 c 來測定年代。

要說明的是, 14 c 測年法基於幾個假設條件之上: ① 假設大氣中 14 c 的產生率不變。 地球上的交換碳近數萬年來基本恆定,但 19 世紀後半葉工業活動的增加, 20 世紀原子彈 的**形成的工業效應、原子彈效應,已減少了大氣中 14 c 的含量。

② 假定放射性衰變 規律不變,不受任何外界環境的影響,生物樣品一旦死亡就停止與碳儲存庫進行自由交換。 半衰期最初為 5568 年,近年來推算應為 5730 年。但這個對研究影響不大。

③ 地球上各 交換庫中 14 c 的放射性比重不隨時間、地點、物質種類而改變,這個假設經檢驗基本成立 。國際公認 14 c 測年中的 b 、 p 起算點是 1950 年(因為之後人工核**產生的大量 14c 對大氣影響很大), 1850—1950 年間的樣品因工業化過程釋放的 co2 使得 14c 測年 資料稍偏老。

2 、碳十四斷代法的優缺點

14c 斷代法是目前最精確的測年方法,具有許多優點。( 1 )測量範圍廣,可測定 1000— 50000 年內的考古樣品。( 2 )樣品易得,凡是含碳的骨頭、木質器具、焦炭木或其它無 機遺留物均可。

( 3 )對樣品要求不嚴,埋藏條件不要求,取樣也很簡單。儘管如此, 14 c 斷代法仍存在一些問題。 ① 測量範圍有限,受半衰期規律的限制,其最大可測年限不超 過四萬年,而且樣品年齡愈老,愈接近此極限值,測量誤差愈大 。

② 合適的樣品難以採 集,要滿足純粹不受汙染而且要求一定的重量。如古代樣品在埋藏中易受到後代動植物腐爛 後的可溶碳化合物的汙染;一些珍貴樣品不能大量取樣。 ③ 必須使用大量的樣品,而且測 量時間較長。

④ 因種種原因,過去大氣中的 14 c 放射性水平不穩定、 14 c 粒子衰變本 身的波動性,那麼用現代統一的 c 標準測定的年代不能等同於日曆,只能是 14 c 年代, 現在這個問題已得到解決,即用樹木年輪法校正。

3 、現狀和應用

中國社會科學院考古研究所在碳 14 斷代工作的成績尤為突出,是全國同類實驗室中建立時 間最長、公布資料最多的乙個實驗室。由於古陶瓷幾乎不含碳,所以 14 c 斷代法在古陶瓷 斷代方面失去效用。

4 、加速器質譜碳十四測年方法

針對 14 c 測年法的侷限性, 70 年代末加速器質譜碳十四計數法應運而生,以 1978 年在 羅切斯特大學召開的第一次國際加速器質譜會議為誕生標誌。加速器質譜測年技術( ams— —accelerator mass spectrometry )與 14 c 年代法原理相同,只是以對碳十四原子計數 代替對 β 粒子的計數。 ams 是加速器技術、質譜技術和探測鑑別技術的產物,具有一些 優點。

首先 ams 所需樣品量少,一般 1-5 毫克就足夠了,甚至 20-50μg 。其次,精確度 高,靈敏度可達 10-5 至 10-6 ,誤差能達到不超過 0.3%±18 年。

第三測定年代擴充套件到 7.5-10 萬年。第四,測量時間短,一般幾十分鐘就可測試乙個樣品。

還有, ams 不受環 境影響,不象 β 線計數要考慮宇宙光體。 ams 14c 斷代法自問世以來,廣泛應用於考古 學、古人類學、地質學、物理學、天體物理學、環境科學、生物醫學等領域。

ams 超過 14 c 斷代法對新石器時代完整年代序列的成就,因其取樣少(加速器質譜儀為小 樣品或含碳量極少的樣品)給 14 c 分析帶來了新的途徑,甚至可以解決其他問題,諸如陶 器起源的追溯、人類祖先何時到達美洲、農業起源的時間等問題 。

2樓:冷沛裘幼荷

放射性是所有物質都有的,只是程度不同而已。那些半衰期和人類歷史跨度較為相近的,比如半衰期大約為2023年的c-14同位素,就成為了很理想的考古斷代的元素。

對於c-14,每過大約2023年就有一半於其原質量的c14衰變為更加穩定的元素。在活著的時候,動植物在體內的c-14衰變的同時也會從大氣中或食物中攝入新的c-14,但是死後這種交換就停止了,體內的c-14得不到補充,只能一直衰變直到耗盡為止。將出土樣本中c-14所佔比例於估算的大氣中的c-14比例進行比較就能大概算出樣本中的c-14已經進行了多少年的放射性衰變,也就是樣本已經入土了多少年。

3樓:農錦示天恩

宇宙射線同地球大氣發生作用產生了中子,當熱中子擊中14n發生核反應並與氧作用便產生了地球上的14c。在大氣環境中新生14c很快與氧結合成含14c的14co2,並與原來大氣中co2混合,參加自然界碳的交換迴圈,所有生物都含有14c,且14c又不斷地衰變成14n。由於迴圈作用,所有的有機體都會通過新陳代謝使其體內的14c濃度與大氣中14c的濃度保持動態平衡。

一旦生物體死亡,其放射性碳物質與周圍環境中的交換就會停止,且其中的14c含量就按照放射性衰變規律逐漸減少,經過2023年減少為原來的一半;衰變過程中放射出β粒子(14c→14n+β)。因此,可以計算出生物與大氣停止交換的年代。

在一定時間內讓某種動物細胞吸收放射性同位素標記的氨基酸,經檢

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