放射性碳定年法

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放射性碳定年法(英語:Radiocarbon dating),又稱碳測年carbon dating)、碳十四定年法carbon-14 dating),是利用自然存在的碳-14同位素放射性定年法,用以確定原先存活的動物和植物的年齡的一種方法,可測定早至五萬年前含碳有機物質(也可以來測無機物質,只是大部分不會)的年代。對於考古學與晚第四紀地質研究來講,這是一個準確的定年法技術。[1]

威拉得·利比於1940年代在美國芝加哥大學發明了放射性碳定年法,並於1960年獲得諾貝爾化學獎[1][2][3]

歷史背景[編輯]

1939年,Martin Kamen和Samuel Ruben在美國勞倫斯伯克利國家實驗室發現碳14(放射性碳)。[4]

1945年,威拉得·利比芝加哥大學開始了對放射性碳的研究,並於1946-47年發表數篇論文提出了放射性碳定年法。[1][2] 1960年,利比因此獲得諾貝爾化學獎。[3]

基礎[編輯]

碳以同位素混合物形式存在於大氣和所有生命組織中(在組織存活時期混合物的比例為恆定)。碳有兩個穩定同位素:碳-12(12C)和碳-13(13C)。除此之外,還有一些微量的不穩定(放射性)同位素:碳-1414C)。14C的半衰期為5730年,因此它要用很長的時間才可完全消失,當(動物或植物)組織死亡後,由於碳-14會經歷衰變,其比例就會降低,於是死亡樣品的年齡可以通過測量樣品的碳-14含量來確定。碳-14是放射性的,它的形成是由於宇宙射線撞擊在地球大氣層的隨機反應。當宇宙射線進入大氣層,它們經過數重轉化,包括中子的形成。這些中子撞擊氮-14原子會有以下的反應:

碳-14主要在30,000-50,000呎高空和較高的緯度形成,經由大氣循環平均分布於大氣之中,並且與進行反應而形成二氧化碳。透過大氣與海水間的氣體交換,二氧化碳亦會溶解於水體之中。由於假設在一段長時間之中,宇宙射綫通量flux)是均等的,故可假設碳-14是均速形成的;因此,在地球大氣層和海洋中放射性與非放射性的碳的比例是固定的:約為1 ppt(part per trillion,1兆分之1:每一摩爾六千億原子)。

植物進行光合作用吸入大氣層中的二氧化碳,然後又被動物進食,故此所有生物都固定地與大自然交流著14C,直至它們死亡。一旦死亡之後,這個交流就會停止,14C的含量就會透過放射衰變逐步減少。這個衰變可以用來計量一個已死的生物的死亡時間。

傳統的14C測定是藉由數出個別碳原子的放射衰變數量(見液相閃爍計數)而測定放射性碳元素的含量。然而此種測量方式較不靈敏且受制於統計誤差的干擾,舉例來說,在開始的時候已並不多的14C,由於其半衰期很長,故短時間內很少原子會發生衰變,所以探測衰變量變得相當困難(例:剛死去時的衰變為4原子/秒·摩爾,10000年後衰變為1原子/秒·摩爾)。因此使用傳統閃爍記數方式的14C定年需要較多的樣本與測定時間。

利用加速器質譜儀(AMS)的技術,14C可以直接數出,靈敏度和敏感度因而大大提升。粗略的放射性碳定年通常以B.P.before present)來表示。BP就是從1950年起以前的放射性碳年數。這是一個名義上於1950年14C在大氣層水平(假定這個水平不變:見下文「校準」)。

放射性碳實驗報告會是一個不肯定的數字,如3000±30BP指出一個標準偏差為30放射性碳年。傳統地這個誤差只包括統計數量的不確定,但一些實驗室會提供一個「誤差乘數(暫譯:error multiplier)」,將這個數字乘不確定的數量就可計算出其他於測量中所出現的誤差。

利比半衰期和劍橋半衰期[編輯]

碳定年法係由一支由威拉得·利比帶領的隊伍發展的。原本人們用的碳-14半衰期是5568±30年。這個就是「利比半衰期(暫譯:Libby half-life)」。其後量度出一個更準確的「劍橋半衰期(暫譯:Cambridge half-life)」為5730±40年。然而實驗室繼續利用利比的數字來避免混淆。一個由利比的數字來得出定年可藉由乘以一個比例(約為1.03)校準,但這並不是必須的,因為這可由現代的校準曲線來調校。

校準[編輯]

放射性碳實驗報告所得出之年代並無法直接反映樣本的生成年代。由於現實環境中宇宙射線的通量並不是一個恆定的值,因此每一個時期內大氣中的14C含量並不固定。因此要讓測定年代能準確的對應到樣本的可能生成年代,必須對測定年代使用校準曲線進行校準,以推測其可能形成之時間。14C校準曲線是由已知年代之樣本與測定年代相對應而建立的。對於陸地樣本而言,目前所通用的校準年代係透過現生與化石樹木之樹輪測定而校準的。對於海洋樣本而言,由於洋流作用之關係,14C的含量平衡速率較慢,因此校準年代遠較陸地樣本困難。現今海洋樣本的校正曲線係透過已知年代的現生與化石珊瑚測定而成,另外在不同的地方另需要考慮洋流作用與區域環境的額外影響。

參考資料[編輯]

外部連結[編輯]

  • ^ 1.0 1.1 1.2 Radiocarbon Dating. American Chemical Society. [2019-08-04] (英語). 
  • ^ 2.0 2.1 UChicago site of radiocarbon dating discovery named historic landmark. University of Chicago News. [2019-08-04] (英語). 
  • ^ 3.0 3.1 The Nobel Prize in Chemistry 1960. NobelPrize.org. [2019-08-04] (美國英語). 
  • ^ An Historical Perspective on the Lab's Legacy: A Year-Long Series in The View: Part Two. www2.lbl.gov. [2019-08-04].