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自然界的“标准时钟”:碳十四
2018-04-09| 编辑: | 【 】【打印】【关闭

(本文来自中科院地球环境研究所公众号,更多精彩请扫码关注)

  大诗人苏轼曾感叹“不知天上宫阙,今夕是何年。”

  对我们而言,传世文献记载的历史也只能到西周晚期的共和元年。在使用14C断代之前,西周晚期共和元年之前的时间线是一道难解的“谜题”。随着14C断代技术和考古学的结合,我国夏商周断代工程为我们揭开了晚商之前那段历史的神秘面纱。接下来我们就给讲一下14C究竟是如何记录时间的。

  首先不得不说一下碳元素家族,目前已知碳家族兄弟姐妹有15个成员,分别是6C, 7C, 8C ,9C, 10C,11C,12C,13C,14C,15C,16C,17C,18C,19C,20C,21C和22C。这15个兄弟姐妹质子数相同,中子数不同,在元素周期表中占据着同一位置,因此称之为同位素。其中12C和13C为稳定同位素以外,其他元素都是放射性同位素。所谓稳定同位素就是产生之后便不会发生变化,相反放射性同位素就没那么好脾气了,一生气就会发生衰变反应扔掉一部分家当(如α衰变会释放(_2^4)He, β衰变会释放电子和中微子,γ衰变则是γ粒子)变身成其他的元素。看到这么多同位素都具有放射性,14C有什么优势呢?原来它是碳家族唯一的天然长寿命放射性同位素。

  那么14C是怎么产生的呢?上期我们介绍了宇宙射线,下面我们要说的14C就是由宇宙射线穿过大气层时与大气中的氮元素发生反应产生的,并被氧化形成14CO2扩散到整个大气层中。通过大气与水体的CO2交换,植物光合作用和动物对植物中碳的吸收等过程,使自然界开放的系统中普遍存在14C,并达到近似平衡。

  图1 14C在自然界的循环

 

  图2 14C的形成和衰变

  From Wikimedia Commons, the free media repository

  放射性物质一个特性就是它总是生气,于是就一直衰变,一直衰变,然后大家就发现原来放射性物质的衰变是成指数减少的,其衰变到原有总量的一半时所用的时间是固定的,称为半衰期。14C的半衰期约为5730±40年。

  当植物、动物死亡后,不再同环境中的碳进行交换,它们本身的14C便会不断衰变却再也没有补给,因为我们假定大自然中14C是均匀分布且不发生改变的,因此测定某种物质中14C的数量,就可以通过其半衰期推算它经过了多长时间的衰变,进而知道其被埋藏的时代。由于14C的衰变极其精确且有规律,堪称自然界的“标准时钟”,而成为一个记录生物(或沉积体系)距今年代的 “时钟”。

  14C最早由加州大学伯克利分校放射性实验室的马丁?卡门(Martin Kamen)和塞缪尔?鲁宾(Sam Rubin)于1940年2月27日发现的。

  

图3 左一为Samuel Rubin(Gest H., et al. 2004)

  1949年14C测年方法的祖师爷Willard Libby和Arnold完成了已知年龄的考古和地质样品的测定,宣告14C测年方法的创建成功,轰动了整个考古学界和地质学界。Libby也因此在1960年获得了诺贝尔奖。

  

图4 Willard Libby  来源于:History Hop

  早期进行14C测量使用的是β衰变法,即测量样品衰变产生的β射线的剂量来推断14C含量。这一方法测量周期较长,需要的样品量较大。后来超灵敏加速器质谱(AMS)技术的出现,通过直接测量14C原子数,使14C测定样品用量减少了3-4个数量级,测样时间缩短了近100倍,从此14C定年在古气候和考古学得到了广泛的应用。该方法可用来测定50000年以来的样品,再老的样品就无能为力了。

  

图5 西安加速器质谱中心

  加速器工作原理  来源于ANSTO

  有一件事情让14C定年曾在国际上轰动一时,那就是为争论了百年之久的“都灵圣体裹尸布”之谜测定了年份。

  20世纪80年代末,三家实验室使用14C方法对耶稣裹尸布的年代进行鉴定,结果发现那块让人崇敬了多年的裹尸布的原料纤维是在13世纪种出来的,而此时耶稣已被订在十字架上1200多年了。尽管关于裹尸布真伪的争论没有因为14C结果的出炉而终结(点击此处扩展阅读),但14C 作为一种自然界的标准时钟,在确定过去50000年以来的事件时代的研究中被广泛应用。

  

图6 耶稣裹尸布

  From Wikimedia Commons, the free media repository

  其实,14C除了被用作测年,它还是一种良好的示踪物质,在很多领域具有应用价值,如医学、环境科学、食品科学等领域。

  有关14C的故事这才刚刚开始,有兴趣的朋友请看后续详细的介绍!

  参考文献:

  Gest H. Samuel Ruben's Contributions to Research on Photosynthesis and Bacterial Metabolism with Radioactive Carbon[J]. Photosynthesis Research, 2004, 80(1-3):77-83.

  Ruben S, Kamen MD. 1940. Radioactive carbon of long half-Life. Phys Rev 57:549–549.

  Turetsky, M. R., et al. (2004). "Dating recent peat deposits." Wetlands 24(2): 324-356.

  张亨. 大自然的时钟--碳14测定技术[J]. 知识就是力量, 2001(10):35-35.

  孙红芳, 王海芳, 刘元方. 14C-AMS在生物医学研究中的应用[J]. 核技术, 2001, 24(9):748-754.

  文中视频来源于Australian Nuclear Science and Technology Organisation.

(文章来源:地球环境研究所公众号,作者:赵海燕)

 


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