为什么“碳钟”可以测定古文物的年龄？

如何用Ｃ１４测定文物的年代？

C14的半衰期只有五千多年而地球存在已有数十亿年,自然界却存在着保持一定水平的放射性碳元素,为使 C14的产生和衰变处于平衡状态,保持一定水平,必然存在着一种源泉。这个来源就在大气高空层,在那里,宇宙射钱中子和大气氮核作用生成C14。 发现这一自然现象并用实验加以证实的是C14法创始人利比(W。F。Libby)。他从宇宙射线和人工核反应的研究中得到启发,认为自然界存在生成C14的条件,有可能检测出来。经过仔细考查计算,并在实验中解决了低能量低本底测量上的技术问题,测出了自然C14。 由此建立了C14测定年代的方法。 　　最初,外来的宇宙射线与大气作用产生宇宙射线中子。宇宙射线中子和大气...全部

  C14的半衰期只有五千多年而地球存在已有数十亿年,自然界却存在着保持一定水平的放射性碳元素,为使 C14的产生和衰变处于平衡状态,保持一定水平,必然存在着一种源泉。这个来源就在大气高空层,在那里,宇宙射钱中子和大气氮核作用生成C14。
  发现这一自然现象并用实验加以证实的是C14法创始人利比(W。F。Libby)。他从宇宙射线和人工核反应的研究中得到启发,认为自然界存在生成C14的条件,有可能检测出来。经过仔细考查计算,并在实验中解决了低能量低本底测量上的技术问题,测出了自然C14。
  由此建立了C14测定年代的方法。 　　最初,外来的宇宙射线与大气作用产生宇宙射线中子。宇宙射线中子和大气中氮核起核反应产生碳-14: 0n1+7N14→⒍C14+1H1 这一反应都在高空完成,新生碳原子在大气环境中不能游离存在很久,一般都与氧结合生成C14O2分子，C14O2和原来存在于大气中的CO2化学性能是相同的,因此必然与原有CO2混合参加自然界碳的交换循环运动。
   　　植物通过光合作用将CO2结合成植物组织,动物依植物为生,这就使生物界都混入了C14。动物通过排泄,死亡,植物通过腐烂,沉积,进入表层土壤而使C14进入土壤,大气与广大海面接触, CO2又与海水中溶解的碳酸盐和CO2进行交换,因此海水、海生物及海底沉积物中都含有C14。
  所以，凡是和大气中的CO2进行过直接或间接交换的含碳物质都包含C14。 　　这种产生C14的自然现象存在已久，同时C14按5730年半衰期衰变减少，这类碳中C14水平必然会到达平衡值。由于碳在自然界的交换循环相当快，处于与大气互相交换的各种物质在名地的C14水平基本上是一致的。
   　　利用这种到处都 存在C14的自然现象就可以用来断代。例如陆地生物、海洋生物在生命过程中由于同大气经常交换，衰变掉的C14经常能得到补充，但一旦停止了交换（如死亡、沉积），其C14就再得不到补充，C14水平因衰变而降低，每5730年降为原有水平的一半值。
  因此测量标本现存的C14放射性水平和它原始放射性水平相比较，就可以算出死亡或停止交换的年代，当然，几千年或几万年前处于交换状态的动植物的放射性水平是无法测知的，但若假定这种产生C14的自然现象几万年来都没有什么变化，就可以用现在世界各地处于交换平衡状态的动植物放射性水平，作为标本的原始放射性水平，即所谓“现代碳”放射性标准。
   　　放射性衰变规律可用数学式表示，标本年代的计算公式如下： A=τln No/NA A： 标本年代 τ：C14平均寿命 NA：标本现有放射性 No：标本原始放射性 C14平均寿命是一个常数，由实验测定，测出No、NA即可计算出标本年代。
   　　这就是C14断代的原理，由于这一方法所依据的是原子核的变化。这种变化不受周围环境的物理、化学条件的影响，而C14半衰期（5730年）正适用于对几千年到几万年的标本进行断代。另外，一些含碳的物质，如木、草、骨、贝壳等动植物遗骸在古代遗址中普遍存在，因此，C14法自1950年建立起，就成为有力的断代手段而广泛应用于史前考古学和第四纪晚地质学。
   C14测定年代方法在技术上不同于一般放射性同位素测量，它的特点是放射性强度弱，能量低，自然碳中C14含量仅为1。2×10一10 %,每克碳的放射性强度仅几微微居里,即每分钟约有10 多个原子衰变,标本的年代越久远,放射性还会迅速降低,如二万年以上的标本,其计数率就会降到每分钟一次以下。
  针对这种情况,必须专门设计低本底低能量β射线的高效率探测器,把标本中的碳制备成探测器的组成部分,并在特制的屏蔽室中进行测量。如气体法将标本碳全部转成计数管中的计数气体,液体法则全部转成闪烁液的溶剂,这些基本要求就决定了C14年代测定必须要有一个完备的实验室,包括设有化学处理,标本制备的系统,完善的屏蔽设备,特制的探测器和能长时间工作而又稳定的电子测量系统,并且经过精心的操作才能保证数据准确可靠。
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