碳十四
碳十四是碳的一種具放射性的同位素，於1940年首次被發現。1940年，美國科學傢馬丁·卡門（Martin Kamen）[1]與同事塞繆爾·魯賓（Sam Ruben）[1]在美國勞倫斯伯克利國傢實驗室發現碳14[2]，而後時任芝加哥大學教授、加州大學伯克利分校化學博士威拉得·利比（Willard Libby） 應用碳14發明瞭碳—14年代測定法並獲得1960年諾貝爾化學獎[3][4][5][6]。 碳14是透過宇宙射線撞擊空氣中的氮十四原子所產生，其半衰期約為5,730年，衰變方式為β衰變，碳14原子轉變為氮原子。 由於其半衰期達5,730年，且碳是有機物的元素之一，我們可以根據死亡生物體的體內殘餘碳14成份來推斷它的存在年齡。生物在生存的時候，由於需要呼吸，其體內的碳14含量大致不變，生物死去後會停止呼吸，此時體內的碳14開始減少。由於碳元素在自然界的各個同位素的比例一直都很穩定，人們可透過傾測一件古物的碳14含量，來估計它的大概年齡。這種方法稱之為碳定年法。其他常用的還有鉀-氬法[7]測定，鉀-氬法測定，熱釋光、光釋光測定等。
中文名稱碳十四
發現時間1940年
半衰期5730年
衰變方式β衰變
主要用途推斷死亡生物體的存在年齡
放射性具有
收起
簡介
由於碳元素在自然界的各個同位素的比例一直都很穩定，人們可透過傾測一件古物的碳14含量，來估計它的大概年齡。這種方法稱之為碳定年法。
不過，碳14測年法所測得的年代有頗大的誤差。因此，假若所測的物件比較近代，相對誤差也更大。另一方面，碳14測定法亦有可能受到火山爆發等自然因素影響。所以，若沒有其他年代測定方法來檢訂，單單依賴碳14的測年數據是完全不可靠的。
技術發展
中國碳十四測年技術的發展
1949年3月，當美國科學傢利比研究碳十四測年技術成功並發表成果時，中國的大地上卻正激戰正酣，國共雙方的這場內戰吸引瞭幾乎所有人的目光，對於這項考古學革命性的成果，沒有人去註意它。
新中國成立後，中國各項事業都開始啟動。1955年，當時的中國科學院考古研究所副所長夏鼐首次關註到這項技術，並把它向中國考古界作瞭介紹，馬上引起考古界強烈反響。當時，中國大地上考古發掘已取得許多重大發現，尤其是許多史前遺跡重見天日，但對於它們的年代卻又說法不一，如果我們能夠掌握這門技術，無疑會給考古界一個登上新高峰的機會。
但是當時的中國政治風潮疊起，考古學傢直到1959年才見到曙光。在夏鼐同志的領導下，中科院物理研究所的年輕物理學傢仇士華、蔡蓮珍夫婦被調到考古所，中國第一個碳十四實驗室正式籌建。
仇士華，1932年生於江蘇，他自小便酷愛物理學，終於在1952年考入浙江大學物理系，一年後國傢進行高校院系調整，浙大物理系被並入復旦大學，仇士華也隨系來到上海，成為復旦大學物理系的學生。1955年畢業，分配到中國科學院物理研究所工作。
當時的中國科學院物理研究所其實是隱蔽的核物理研究所，是不可對外宣傳的機密單位。要進入這樣的單位，除瞭專業知識必須過硬外，還必須通過進乎苛刻的政治審查。當仇先生與他後來的妻子蔡蓮珍通過重重考驗進入該所時，二人心中升起一種由衷的自豪。他們決心為祖國的核物理事業奉獻出自己的青春才華。
誰知天有不測風雲，1957年，全國性的“反右”運動開始瞭。心直口快的仇士華夫婦被打成“右派”，不得不離開心愛的工作崗位，下放到農村勞動改造。這時中科院考古所開始進行碳十四實驗室的籌建，但考古所自己卻沒有核物理學方面的人材，不得不向物理所求援，時任物理所放射化學研究室主任的楊承宗向夏鼐推薦瞭正在蒙難的仇士華夫婦，這時，由於國傢正在進行衛星研究，大量的技術工作急需解決，經反復研究，有關方面終於批準將原物理所的“右派”們包括仇氏夫婦召回北京。兩月後，即1959年1月，經考古所與物理所協商，中科院組織部批準，仇士華與夫人蔡蓮珍戴著右派帽子來到考古所進行二次創業。
面對全新的環境，仇士華興奮不已，但困難是他始料未及的。他們唯一的資料就是利比先生的《放射性碳素測定年代》原著，沒有任何現成的儀器，沒有任何經驗。仇士華是個越困難越大越要奮鬥的人，他想，技術是人創造的，自己的處境總比利比要強，通過研究資料，他從零開始，一步一個腳印，在有關領導的關懷下，經過四年的艱苦奮鬥，終於完成瞭全部設備的配裝工作，後又用瞭三年調試和改進，1965年中國自己的碳十四實驗室終於初生瞭。
就在仇士華緊張地進行樣品盲測以通過專傢驗收時，上海的姚文元發表瞭著名的《評新編歷史劇〈海瑞罷官〉》，一年後，文化大革命爆發瞭。老右派仇士華被再次打倒，被發配到明港的一座軍營。這裡，仇士華遭遇到極為殘酷的折磨。直到1971年，形勢才有所好轉。時任中科院院長的郭沫若以“出國參展文物沒有具體年代”為由，請求調回碳十四實驗室的人員，以便盡快測出年代。周恩來親自做出批復，仇士華、蔡蓮珍等人終於擺脫瞭厄運，回到自己的工作崗位。然而，實驗室的儀器都被造反派破壞瞭，他們不等不靠，經過艱苦努力，終於修復設備，投入緊張的測年當中。十一屆三中全會後，仇士華和蔡蓮珍都被平反。再之後，實驗室在仇士華的領導下，取得瞭許多令人振奮的碩果。
比如，北京周口店出土的“山頂洞人”過去一直認為距今十萬左右，經碳十四測年，為一萬九千年。再比如早期商城鄭州商城和偃師商城，專傢們對它們的年代誰先誰後，打瞭多年口水戰，後經測年，發現這兩個商城的年代相差在五十年內，基本上是同時代的產物。
仇士華他們用的還是常規法測年，以當時中國的技術和資金實力，要想短期內建立起AMS加速器質譜儀，還是件不可能的事。但幸運降臨瞭。由於英國收縮財政支出，著名的牛津大學也被減少資金投入。大學的一個加速器被迫關閉。經過研究，校方準備將此設備無償贈送給某個第三世界國傢。這時，中國北大副校長陳佳洱來到英國，聽到這個消息，馬上與有關負責人聯系，把這套設備爭取過來。牛津大學提出要求，必須把這套設備充分利用，為科學作出貢獻。
專傢們經過認真研究，決定將這套設備加裝成加速器質譜儀，並把重點放在考古、地質和生命科學領域。經過五年的努力，建成瞭中國第一座AMS實驗室。
夏商周斷代工程啟動後，為瞭把實驗數據做好，國傢又投入巨資，購入最先進的設備，把它的技術水平提高到世界先進水平。
測定方法
自然界中碳元素有三種同位素，即穩定同位素12C、13C和放射性同位素14C，14C的半衰期為5730年，14C的應用主要有兩個方面：一是在考古學中測定生物死亡年代，即放射性測年法；二是以14C標記化合物為示蹤劑，探索化學和生命科學中的微觀運動。
一、利用宇宙射線產生的放射性同位素碳-14來測定含碳物質的年齡，就叫碳-14測年。已故著名考古學傢廈鼐先生對碳-14測定考古年代的作用，給瞭極高的評價：“由於碳-14測定年代法的采用，使不同地區的各種新石器文化有瞭時間關系的框架，使中國的新石器考古學因為有瞭確切的年代序列而進入瞭一個新時期。
那麼，碳-14測年法是如何測定古代遺存的年齡呢？
原來，宇宙射線在大氣中能夠產生放射性碳—14，並能與氧結合成二氧化碳形後進入所有活組織，先為植物吸收，後為動物納入。隻要植物或動物生存著，它們就會持續不斷地吸收碳—14，在機體內保持一定的水平。而當有機體死亡後，即會停止呼吸碳—14，其組織內的碳—14便以5730年的半衰期開始衰變並逐漸消失。對於任何含碳物質，隻要測定剩下的放射性碳—14的含量，就可推斷其年代。
碳—14測年法分為常規碳—14測年法和加速器質譜碳—14測年法兩種。當時，Libby發明的就是常規碳—14測年法，1950年以來，這種方法的技術與應用在全球有瞭顯著進展，但它的局限性也很明顯，即必須使用大量的樣品和較長的測量時間。於是，加速器質譜碳—14測年技術發展起來瞭。
加速器質譜碳—14測年法具有明顯的獨特優點。一是樣品用量少，隻需1～5毫克樣品就可以瞭，如一小片織物、骨屑、古陶瓷器表面或氣孔中的微量碳粉都可測量；而常規碳—14測年法則需1～5克樣品，相差3個數量級。二是靈敏度高，其測量同位素比值的靈敏度可達10-15至10-16；而常規碳—14測年法則與之相差5～7個數量級。三是測量時間短，測量現代碳若要達到1%的精度，隻需10～20分鐘；而常規碳—14測年法卻需12～20小時。
正是由於加速器質譜碳—14測年法具有上述優點，自其問世以來，一直為考古學傢、古人類學傢和地質學傢所重視，並得到瞭廣泛的應用。可以說，對測定50000年以內的文物樣品，加速器質譜碳—14測年法是測定精度最高的一種。
1.碳14是碳的一種具放射性的同位素，於1940年首被發現。它是透過宇宙射線撞擊空氣中的氮原子所產生，其半衰期約為5，730年，衰變方式為β衰變，碳14原子轉變為氮原子。
2. 由於碳14半衰期達5，730年，且碳是有機物的元素之一，生物在生存的時候，由於需要呼吸，其體內的碳14含量大致不變，生物死去後會停止呼吸，此時體內的碳14開始減少。人們可透過傾測一件古物的碳14含量，來估計它的大概年齡，這種方法稱之為碳定年法。
斷代原理
自然界存在三種碳的同位素，它們的重量比例是12：13：14，分別用碳-12（C12）；碳-13（C13）；碳-14（C14）表示，它們的含量比例是98.9：1.1：10-10 。前二者是穩定同位素，隻有碳-14有放射性，亦稱放射性。碳C14放射β粒子後蛻變為N14，半衰期為5730±40年，反應式為:C14→N14+β一。
C14的半衰期隻有五千多年而地球存在已有數十億年，自然界卻存在著保持一定水平的放射性碳元素，為使 C14的產生和衰變處於平衡狀態，保持一定水平，必然存在著一種源泉。這個來源就在大氣高空層，在那裡，宇宙射線中子和大氣氮核作用生成C14。發現這一自然現象並用實驗加以證實的是C14法創始人利比(W.F.Libby)。他從宇宙射線和人工核反應的研究中得到啟發，認為自然界存在生成C14的條件，有可能檢測出來，經過仔細考查計算，並在實驗中解決瞭低能量低本底測量上的技術問題，測出瞭自然C14。由此建立瞭C14測定年代的方法。
最初，外來的宇宙射線與大氣作用產生宇宙射線中子。宇宙射線中子和大氣中氮核起核反應產生碳-14:
0n1+7N14→⒍C14+1H1
這一反應都在高空完成，新生碳原子在大氣環境中不能遊離存在很久，一般都與氧結合生成C14O2分子，C14O2和原來存在於大氣中的CO2化學性能是相同的，因此必然與原有CO2混合參加自然界碳的交換循環運動。
植物通過光合作用將CO2結合成植物組織，動物依植物為生，這就使生物界都混入瞭C14.動物通過排泄，死亡，植物通過腐爛，沉積，進入表層土壤而使C14進入土壤，大氣與廣大海面接觸， CO2又與海水中溶解的碳酸鹽和CO2進行交換，因此海水、海生物及海底沉積物中都含有C14。所以，凡是和大氣中的CO2進行過直接或間接交換的含碳物質都包含C14。
這種產生C14的自然現象存在已久，同時C14按5730年半衰期衰變減少，這類碳中C14水平必然會到達平衡值。由於碳在自然界的交換循環相當快，處於與大氣互相交換的各種物質在名地的C14水平基本上是一致的。
利用這種到處都 存在C14的自然現象就可以用來斷代。例如陸地生物、海洋生物在生命過程中由於同大氣經常交換，衰變掉的C14經常能得到補充，但一旦停止瞭交換（如死亡、沉積），其C14就再得不到補充，C14水平因衰變而降低，每5730年降為原有水平的一半值。因此測量標本現存的C14放射性水平和它原始放射性水平相比較，就可以算出死亡或停止交換的年代，當然，幾千年或幾萬年前處於交換狀態的動植物的放射性水平是無法測知的，但若假定這種產生C14的自然現象幾萬年來都沒有什麼變化，就可以用在世界各地處於交換平衡狀態的動植物放射性水平，作為標本的原始放射性水平，即所謂“現代碳”放射性標準。 我國自主研究，在1981年制定出瞭適合中國的現代碳標準，即“中國糖碳標準”，經過國內和國外的測試，數據可靠，得到瞭國內外的一致好評。
放射性衰變規律可用數學式表示，標本年代的計算公式如下：
A=τln No/NA
A： 標本年代
τ：C14平均壽命
NA：標本現有放射性
No：標本原始放射性
C14平均壽命是一個常數，由實驗測定，測出No、NA即可計算出標本年代。
但是，上面的結論要基於以下幾點的假設：
① 假設大氣中 C 的產生率不變。 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．③ 地球上各交換庫中 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 C 測年中的 B P 起算點是 1950 年（因為之後人工核爆炸產生的大量 C 對大氣影響很大，而且從18世紀工業革命之後，大氣中的普通C大大增加，對C的比率影響很大）④樣品根本沒有受到污染，如果不小心混入瞭早期或晚期的碳，那測出的結果跟我們想要的肯定會有很大差距。
這就是C14斷代的原理，由於這一方法所依據的是原子核的變化。這種變化不受周圍環境的物理、化學條件的影響，而C14半衰期（5730年）正適用於對幾千年到幾萬年的標本進行斷代。另外，一些含碳的物質，如木、草、骨、貝殼等動植物遺骸在古代遺址中普遍存在，因此，C14法自1950年建立起，就成為有力的斷代手段而廣泛應用於史前考古學和第四紀晚地質學。
測量技術
C14測定年代方法在技術上不同於一般放射性同位素測量，它的特點是放射性強度弱，能量低，自然碳中C14含量僅為1.2×10一10 %，每克碳的放射性強度僅幾微微居裡，即每分鐘約有10 多個原子衰變，標本的年代越久遠，放射性還會迅速降低，如二萬年以上的標本，其計數率就會降到每分鐘一次以下，針對這種情況，必須專門設計低本底和低能量β射線的高效率探測器，把標本中的碳制備成探測器的組成部分，並在特制的屏蔽室中進行測量，如氣體法將標本碳全部轉成計數管中的計數氣體，液體法則全部轉成閃爍液的溶劑，這些基本要求就決定瞭C14年代測定必須要有一個完備的實驗室，包括設有化學處理，標本制備的系統，完善的屏蔽設備，特制的探測器和能長時間工作而又穩定的電子測量系統，並且經過精心的操作才能保證數據準確可靠.
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《C14測年及科技考古論集》主要內容：夏、商、西周的年代測定是用系列樣品方法進行的，使年代數據的誤差大為縮小。可以說是14C測年技術及研究應用達到瞭當前一個新的境界。此外，由於考古研究對自然科學技術的需要，編者對其他科技考古研究也有所涉及。所以這本文集選輯瞭：一、建立實驗室以來關於14C測年的基本原理及實驗技術的研究文章13篇；二、結合史前考古及其他應用學科的研究文章12篇；三、有關夏商周斷代工程的研究文章13篇；四、有關其他科技考古的文章5篇。
《C14測年及科技考古論集》
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參考資料
- [1]Martin David Kamen
- [2]勞倫斯實驗室35項科研突破
- [3]Willard Libby 生平
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