放射性碳定年法

放射性碳定年法英语: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,用以确定原先存活的动物和植物的年龄的一种方法,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 第四紀地質研究来讲,這是一個準確的定年法技術。 [來源請求]

基礎

碳以同位素混合物形式存在于大气和所有生命组织中(在组织存活时期混合物的比例为恒定)。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 半衰期为5730年,因此它要用很長的時間才可完全消失,当(动物或植物)组织死亡后,由于碳-14會经历衰变,其比例就会降低,于是死亡样品的年龄可以通过测量样品的碳-14含量来确定。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佈於大氣之中,並且与 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。

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