Question

放射性同位素14C进行考古断代的原理是什么

顺便在问一下：如何用放射性元素的残余浓度来判断经历的时间?

Answer 1

一、碳十四测年法

碳十四测年法又称放射性同位素（碳素）断代法，一般写作 14 C 。 14 C 断代方法由美国 芝加哥大学利比（ Libby ）教授于 1949 年提出。

1 、碳十四断代法的原理

自然界存在三种碳的同位素： 12C （ 98.9% ） , 13C (1.19%), 14C (10-10%) ，前两者 比较稳定，而 14C 属低能量的放射性元素。 14 C 的产生和衰变处于平衡状态，其半衰期 为 5730±40 年（现在仍使用 5568±30 年）。宇宙射线同地球大气发生作用产生了中子， 当热中子击中 14 N 发生核反应并与氧作用便产生了地球上的 14 C 。在大气环境中新生 14 C 很快与氧结合成 14 CO2 ，并与原来大气中 CO2 混合，参加自然界碳的交换循环。植 物通过光合作用吸收大气中的 CO2 ，动物又吃植物，因而所有生物都含有 14 C 。生物死 后，尸体分解将 14 C 带进土壤或大气中，大气又与海面接触，其中的 CO2 又与海水中溶 解的碳酸盐和 CO2 进行交换。可见凡是和大气中进行过直接、间接交换的含碳物质都含 14 C 。同时 14 C 又以 5730 年的半衰期衰变减小；加上碳在自然界的循环交换中相当快，使 得 14 C 在世界各地的水平值基本一致。如果生物体一旦死亡， 14 C 得不到补充，其中的 14 C 含量就按放射性衰变规律减少，经过 5730 年减少为原来的一半。因此可以计算出生 物与大气停止交换的年代 t ，即推算出生物死亡的年代。所以，一切死亡的生物体中的残 存有机物以及未经风化的骨片、贝壳等都可用 14 C 来测定年代。

要说明的是， 14 C 测年法基于几个假设条件之上： ① 假设大气中 14 C 的产生率不变。 地球上的交换碳近数万年来基本恒定，但 19 世纪后半叶工业活动的增加， 20 世纪原子弹 的爆炸形成的工业效应、原子弹效应，已减少了大气中 14 C 的含量。 ② 假定放射性衰变 规律不变，不受任何外界环境的影响，生物样品一旦死亡就停止与碳储存库进行自由交换。 半衰期最初为 5568 年，近年来推算应为 5730 年。但这个对研究影响不大。 ③ 地球上各 交换库中 14 C 的放射性比重不随时间、地点、物质种类而改变，这个假设经检验基本成立 。国际公认 14 C 测年中的 B 、 P 起算点是 1950 年（因为之后人工核爆炸产生的大量 14C 对大气影响很大）， 1850—1950 年间的样品因工业化过程释放的 CO2 使得 14C 测年 数据稍偏老。

2 、碳十四断代法的优缺点

14C 断代法是目前最精确的测年方法，具有许多优点。（ 1 ）测量范围广，可测定 1000— 50000 年内的考古样品。（ 2 ）样品易得，凡是含碳的骨头、木质器具、焦炭木或其它无 机遗留物均可。（ 3 ）对样品要求不严，埋藏条件不要求，取样也很简单。尽管如此， 14 C 断代法仍存在一些问题。 ① 测量范围有限，受半衰期规律的限制，其最大可测年限不超 过四万年，而且样品年龄愈老，愈接近此极限值，测量误差愈大 。 ② 合适的样品难以采 集，要满足纯粹不受污染而且要求一定的重量。如古代样品在埋藏中易受到后代动植物腐烂 后的可溶碳化合物的污染；一些珍贵样品不能大量取样。 ③ 必须使用大量的样品，而且测 量时间较长。 ④ 因种种原因，过去大气中的 14 C 放射性水平不稳定、 14 C 粒子衰变本 身的波动性，那么用现代统一的 C 标准测定的年代不能等同于日历，只能是 14 C 年代， 现在这个问题已得到解决，即用树木年轮法校正。

3 、现状和应用

中国社会科学院考古研究所在碳 14 断代工作的成绩尤为突出，是全国同类实验室中建立时 间最长、公布数据最多的一个实验室。由于古陶瓷几乎不含碳，所以 14 C 断代法在古陶瓷 断代方面失去效用。

4 、加速器质谱碳十四测年方法

针对 14 C 测年法的局限性， 70 年代末加速器质谱碳十四计数法应运而生，以 1978 年在 罗切斯特大学召开的第一次国际加速器质谱会议为诞生标志。加速器质谱测年技术（ AMS— —Accelerator Mass Spectrometry ）与 14 C 年代法原理相同，只是以对碳十四原子计数 代替对 β 粒子的计数。 AMS 是加速器技术、质谱技术和探测鉴别技术的产物，具有一些 优点。首先 AMS 所需样品量少，一般 1-5 毫克就足够了，甚至 20-50μg 。其次，精确度 高，灵敏度可达 10-5 至 10-6 ，误差能达到不超过 0.3%±18 年。第三测定年代扩展到 7.5-10 万年。第四，测量时间短，一般几十分钟就可测试一个样品。 还有， AMS 不受环 境影响，不象 β 线计数要考虑宇宙光体。 AMS 14C 断代法自问世以来，广泛应用于考古 学、古人类学、地质学、物理学、天体物理学、环境科学、生物医学等领域。

AMS 超过 14 C 断代法对新石器时代完整年代序列的成就，因其取样少（加速器质谱仪为小 样品或含碳量极少的样品）给 14 C 分析带来了新的途径，甚至可以解决其他问题，诸如陶 器起源的追溯、人类祖先何时到达美洲、农业起源的时间等问题 。

Answer 2

放射性是所有物质都有的，只是程度不同而已。那些半衰期和人类历史跨度较为相近的，比如半衰期大约为5715年的C-14同位素，就成为了很理想的考古断代的元素。
对于C-14，每过大约5715年就有一半于其原质量的C14衰变为更加稳定的元素。在活着的时候，动植物在体内的c-14衰变的同时也会从大气中或食物中摄入新的c-14，但是死后这种交换就停止了，体内的c-14得不到补充，只能一直衰变直到耗尽为止。将出土样本中c-14所占比例于估算的大气中的c-14比例进行比较就能大概算出样本中的c-14已经进行了多少年的放射性衰变，也就是样本已经入土了多少年。

Answer 3

宇宙射线同地球大气发生作用产生了中子，当热中子击中14N发生核反应并与氧作用便产生了地球上的14C。在大气环境中新生14C很快与氧结合成含14C的14CO2，并与原来大气中CO2混合，参加自然界碳的交换循环，所有生物都含有14C，且14C又不断地衰变成14N。由于循环作用，所有的有机体都会通过新陈代谢使其体内的14C浓度与大气中14C的浓度保持动态平衡。
一旦生物体死亡，其放射性碳物质与周围环境中的交换就会停止，且其中的14C含量就按照放射性衰变规律逐渐减少，经过5730年减少为原来的一半；衰变过程中放射出β粒子（14C→14N+β）。因此，可以计算出生物与大气停止交换的年代。