Question

放射性测定年代法的放射性测定年代法

Answer 1

宇宙射线中的中子与大气中的大量存在的稳定核素氮-14发生N(n,p)C反应能够产生碳-14，而碳-14又会发生半衰期T=5730年的β衰变变成氮-14，由此构建一个核素平衡。碳-14与氧气反应生成的二氧化碳被生物圈接收，活体生物体内的碳-14与碳-12浓度比例是一定【经测定，碳-14的同位素丰度为1.2×10^(-12)】的，只有当生物死亡后，碳循环中断，碳-14逐渐衰变至没有。在化石标本中采样测量碳-14的丰度，与1.2×10^(-12)比较，即可计算出生物生活的年代。
比如：一个化石样品含有碳-14的丰度是4.3×10^(-13)，则可计算出该化石活体生活的年代距今t=ln(No/N)T/ln2=ln[1.2×10^(-12)÷4.3×10^(-13)]×5730÷ln2≈8483.9861年。
用碳-14测定年代应该注意以下几个问题：
⒈标本采集与处理：
用作测定年代的碳标本必须满足如下三点要求：
⑴标本确实来源于碳循环，在停止碳循环前，标本中碳-14丰度比活度(A=λN，原子核数量，早期核测量没有很好的计数器，所以都用活度来替代原子核数量。)与现代碳-14丰度比活度相等；
⑵停止碳循环后，没有经历过任何次生性变化，始终保存其原生性质；
⑶标本在研究对象中具有真正的代表性。
可以测定的标本有动植物残骸、原生无机碳酸盐、生物碳酸盐及其有机沉积物、土壤以及含碳古遗物。所有标本在加工制成测量样品之前都需要经清洗，绝对禁止有现代碳和其它不同年代碳的污染。
⒉现代碳标准的确定：
碳-14的比活度不是一个恒定的值【对于用超灵敏质谱仪 测定的时候，相当于就是说碳-14原子核数量不恒定。】，产生这种情况的原因是：
⑴自然界存在碳的同位素浓集效应，处于不同化学环境的碳中的碳-14含量并不完全一致；
⑵人类的活动改变了大气中二氧化碳的碳同位素组成，如矿物燃料的大量使用，使碳-14含量降低了1～4%〖因为化石燃料中的碳-14浓度因为衰变变少了，燃烧这种燃料的时候，产生的二氧化碳中的碳-14要比直接烧新砍伐的木柴要少。〗，另外就是大气层中的核反应使得植物中的碳-14含量增加了50%左右，这就需要制定一个统一的标准，才能获得可供比较的年代数据。
1959年国际会议确认美国国家标准局制定的草酸作为现代碳的标准物质，并以1950年放射性的95%作为现代碳的标准放射性。
⒊树轮校正：
为了校正因⒉中所说的误差，可以采用树轮校正法：
树木生长的年轮正确反映了树木的生长年代，树轮与碳-14测定的年龄是有一定差别的，大约每2000年会差出150年的样子。树木的年龄越老，年轮与碳-14测定的年龄相差越大，最多偏离可达800多年。因此，对那些需要精确年代数据的标本，必须采用树轮校正。
碳-14放射性计数方法所能测出的标本，其年代不能超出30000年。因为年代到达30000年后，标本中每克碳中碳-14的计数已不到1cpm【放射性强度测量单位，意即每分钟探测到的衰变数；同样的还有cps，每秒钟探测到的衰变数。】；不过，如果是用超灵敏质谱仪，则测定的年代可以稍微更久远一点，可以测量约停止碳循环100000年左右的标本。 测定年代的另一种方法是利用放射性衰变的母子体关系，测定在一个封闭体系中母子体核素的含量比值来推算衰变所经历的年代。根据衰变定律，可以得出子体放射性原子数为：N2=N1[e^(-λt)-1]，t=T/[ln2×ln(1+N2/N1)]。
因此，只要测出母子原子数之比，就可以得到这个封闭体系所经历的年代。
⒈钾-氩法测定年龄：
钾-氩法是利用放射形衰变的母子体关系测定年代的一种很好的方法。在天然矿石中钾含量约在0.01～10%范围内，钾的放射性同位素钾-40的丰度为0.01167%，它以电子俘获的形式(β衰变的一种方式)生成氩-40，或以β衰变出射电子的方式衰变成钙-40。钾-40的衰变常数：λe=0.581×10^(-10)/年，λβ=4.962×10^(-10)/年【式中e和β均为下标】；λ=(0.581+4.962)×10^(-10)/年=5.543×10^(-10)/年。
天然氩有三个同位素：氩-36、氩-38和氩-40，其中氩-36和氩-38也都是稳定同位素，氩-40的丰度又高达99.6%，因此，可以认为氩-40全部是由衰变而生成的。
氩-40来源于钾-40的衰变，那么经历时间t后，氩-40的含量就可由N=(λe/λ)(No-N’)=(λeN’/λ)[e^(λt)-1]；【注：N是氩-40的量，N’是钾-40在过了时间t之后剩余的量；λe中，e是下标，而λe/λ可称之为衰变分支比。】所以t=ln(1+λN/λeN’)/λ。
钾-氩法在地质科学研究测定岩石的年龄领域已经得到广泛应用，氩是气体，在其生成、存在过程中难免会有逸散，使得实验结果偏低。该法适用于测定岩石年龄在5×10^5年到10^7年的标本，对于区域范围外的标本，测定结果不可靠。
⒉铀系法测定年代：
在铀系中，铀-238(T=4.5×10^9年)和铀-235(T=7×10^8年)的寿命都足够长，在它们众多子体核素中，适宜做时钟的有：铀-234(T=2.5×10^5年)、钍-230(T=7.7×10^4年)、镭-226(T=1602年)、镤-231(T=3.2×10^4年) 。例如测定海洋中沉积物的年龄就可以用钍-230。假设海水中铀的浓度恒定(铀的半衰期远大于钍)，铀衰变生成的钍则在沉积物中以半衰期77000年的速度减少。如果海水中的沉积速度均匀，那么，单位重量的沉积物中钍的量应该随深度按指数规律减少，则一定深度处的沉积年代就可测定出来。为了避免沉积速度变化【如洋流、潮汐等的改变】带来的误差，可用钍-230/钍-232的比值来替代钍-230测算。
利用放射性衰变的母子体关系来测定年代的方法还有很多，除此之外，铷-锶法、铀-铅比法等都可以测定矿物、地球和陨石的年龄。
放射性计时法除以上应用外，还能对陨石的研究和宇宙学提供许多重要信息：如陨石从元素形成到固化所经历的时间、陨石在宇宙空间中飞行的时间、陨石到达地球的年代等。
①与地球和陨石的年龄相比，碘-129(T=1.7×10^7年)是很短的，元素形成时生成的碘-129已然消失了踪迹；但是却可以发现从它衰变得到的子体——稳定的氙-129的踪迹。在某些陨石中发现氙-129的丰度反常的增高，这可以用原始的碘-129衰变生成氙-129来解释。这个现象说明陨石在固化前氙不能凝聚所引起的，因此，由现存的氙-129可以计算出从元素形成到陨石固化所经历的时间。实验测得这个时间一般在3～5×10^8年的范围。
②陨石在宇宙中飞行时一直受到宇宙射线作用，发生了许多由宇宙射线引起的核反应。宇宙射线的强度在几百万年间是恒定的，因此放射性核素也以恒定的速率生成，经过足够漫长的时间达到饱和，这些放射性核素衰变产生的稳定子体核素则随飞行时间增长而增加。因此，根据陨石中母、子体核素含量可计算陨石在宇宙空间中的飞行时间。常用于分析测定的核素组有氚和氯-36，其衰变方式是：氚→β-衰变→氦-3；氯-36→β-衰变→氩-36。此法测得的一些陨石飞行时间为2×10^6～1.5×10^9年。这一时间比陨石固化以后的年龄要短得多，这表明陨石在很长一段时间里是被屏蔽着的，没有受到宇宙射线照射。由此可推断这些陨石起初可能是某一行星的部分，以后才破裂产生。
③从陨石中的碳-14的绝对放射性强度可以计算出铁陨石的地球年龄(落到地球后的年龄)。因为铁陨石中还有固定组成的氮，它在宇宙射线作用下生成碳-14并达到饱和值，陨石落到地球上以后，大气层屏蔽了大多数的高能宇宙射线，碳-14不再生成，并按指数规律衰变，由此可计算陨石的地球年龄。 热释光是一种固体发光现象，发光原因是因为辐射作用于结晶体之后，固体晶格中以电子发生位移来贮存从辐射中接受到的能量，这种贮存电子在低温或常温下能在一定时间之内保持其贮能状态，而加热(500℃以下)即复位，同时将它贮存的能量以光子的形式释放出来，这就是热释光现象。
热释光现象最早用在核辐射剂量学领域，(现在核电站以及一些有核单位都用热释光剂量计来测量工作人员被照射的剂量。)，用于测定辐射剂量的常用剂量元件有结晶固体硫酸钙、氟化锂、氟化钙、硼酸锂等。
经深入研究，发现大多数矿物也具有这种热释光现象，假设自然界在一定的地域内存在辐射来源恒定不变，则可以利用热释光技术测定其年代。
利用石英的热释光来测定年代，其方法如下：
已知石英的热释光曲线有5个发光峰，其中375℃的高温区发光峰的贮能电子平均寿命是10^7年，二氧化硅的这个发光峰对辐射的灵敏度恒定不变。因此，可用作图法求出所研究的石英标本中积存的热释光量相当于接受了多少辐射剂量，这个值一般用等效β剂量来表示。它代表石英标本接受了各种辐射剂量的总和。然后，再分析标本在其所在环境中每年提供的年剂量率，有了这两个值就可以计算出该标本存在的年代。
低温峰灵敏度增高法是另一种热释光测定年代法。这种方法适用于对短寿命标本的年龄进行测定。
热释光测定年代的技术可以用来测定百万年这样宽广的时域，是很有价值的放射性计时法。