放射性測定年代法是根據放射性核素衰變的速度不隨地球上的物理條件而變化的科學理據，套用現代放射性核素計時來測定年代的先進科學手法。 包括有三種測定方法： 1、利用碳-14測定年代法； 2、利用放射性衰變的母子體關係測定年代法； 3、熱釋光測定年代法
基本介紹
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放射性測定年代法原理
放射性核素衰變的速度不隨地球上的物理條件而變化，這提供了一種天然的時間標準。雖然目前也有研究說明一些核素的半衰期與核素的化學環境有關，因為所處的化學環境不同，核外電子的能級就不一樣，這可以影響原子核的超精細結構，從而影響到半衰期；不過，由於這個效應是很微弱的，對核素的半衰期影響不會有數量級的不同，所以，現代放射性核素計時仍然是一種用於測定年代的先進手法之一。
放射性核素衰變服從衰變規律：N=Noe^(-λt)，t=(1/λ)×ln(No/N)=τ×ln(No/N)……①。
其中，λ是衰變常數，τ是核素的平均壽命，λ=ln2/T≈0.693/T；T是核素的半衰期。
早期核素測量的時候，原子核的數量是一個很難測量的數據，所以定義放射性核素的活度A=λN，代入①式可得：t=ln(Ao/A)T/ln2。不過現在有超靈敏質譜儀，已經可以直接測量樣本的原子核數量。
放射性測定年代法
利用碳-14測定年代
宇宙射線中的中子與大氣中的大量存在的穩定核素氮-14發生N(n,p)C反應能夠產生碳-14，而碳-14又會發生半衰期T=5730年的β衰變變成氮-14，由此構建一個核素平衡。碳-14與氧氣反應生成的二氧化碳被生物圈接收，活體生物體內的碳-14與碳-12濃度比例是一定（經測定，碳-14的同位素豐度為1.2×10^(-12) ）的，只有當生物死亡後，碳循環中斷，碳-14逐漸衰變至沒有。在化石標本中採樣測量碳-14的豐度，與1.2×10^(-12)比較，即可計算出生物生活的年代。
比如：一個化石樣品含有碳-14的豐度是4.3×10^(-13)，則可計算出該化石活體生活的年代距今
t=ln(No/N)T/ln2=ln[1.2×10^(-12)÷4.3×10^(-13)]×5730÷ln2≈8483.9861年。
用碳-14測定年代應該注意以下幾個問題：
⒈標本採集與處理：
用作測定年代的碳標本必須滿足如下三點要求：
⑴標本確實來源於碳循環，在停止碳循環前，標本中碳-14豐度比活度(A=λN，原子核數量，早期核測量沒有很好的計數器，所以都用活度來替代原子核數量。)與現代碳-14豐度比活度相等；
⑵停止碳循環後，沒有經歷過任何次生性變化，始終保存其原生性質；
⑶標本在研究對象中具有真正的代表性。
可以測定的標本有動植物殘骸、原生無機碳酸鹽、生物碳酸鹽及其有機沉積物、土壤以及含碳古遺物。所有標本在加工製成測量樣品之前都需要經清洗，絕對禁止有現代碳和其它不同年代碳的污染。
⒉現代碳標準的確定：
⑴自然界存在碳的同位素濃集效應，處於不同化學環境的碳中的碳-14含量並不完全一致；
⑵人類的活動改變了大氣中二氧化碳的碳同位素組成，如礦物燃料的大量使用，使碳-14含量降低了1～4%〖因為化石燃料中的碳-14濃度因為衰變變少了，燃燒這種燃料的時候，產生的二氧化碳中的碳-14要比直接燒新砍伐的木柴要少。〗，另外就是大氣層中的核反應使得植物中的碳-14含量增加了50%左右，這就需要制定一個統一的標準，才能獲得可供比較的年代數據。
1959年國際會議確認美國國家標準局制定的草酸作為現代碳的標準物質，並以1950年放射性的95%作為現代碳的標準放射性。
⒊樹輪校正：
為了校正因⒉中所說的誤差，可以採用樹輪校正法：
樹木生長的年輪正確反映了樹木的生長年代，樹輪與碳-14測定的年齡是有一定差別的，大約每2000年會差出150年的樣子。樹木的年齡越老，年輪與碳-14測定的年齡相差越大，最多偏離可達800多年。因此，對那些需要精確年代數據的標本，必須採用樹輪校正。
碳-14放射性計數方法所能測出的標本，其年代不能超出30000年。因為年代到達30000年後，標本中每克碳中碳-14的計數已不到1cpm（放射性強度測量單位，意即每分鐘探測到的衰變數；同樣的還有cps，每秒鐘探測到的衰變數）；不過，如果是用超靈敏質譜儀，則測定的年代可以稍微更久遠一點，可以測量約停止碳循環100000年左右的標本。
利用放射性衰變的母子體關係測定年代
測定年代的另一種方法是利用放射性衰變的母子體關係，測定在一個封閉體系中母子體核素的含量比值來推算衰變所經歷的年代。根據衰變定律，可以得出子體放射性原子數為：
N2=N1[e^(-λt)-1]，t=T/[ln2×ln(1+N2/N1)]。
因此，只要測出母子原子數之比，就可以得到這個封閉體系所經歷的年代。
⒈鉀-氬法測定年齡：
鉀-氬法是利用放射形衰變的母子體關係測定年代的一種很好的方法。在天然礦石中鉀含量約在0.01～10%範圍內，鉀的放射性同位素鉀-40的豐度為0.01167%，它以電子俘獲的形式(β衰變的一種方式)生成氬-40，或以β衰變出射電子的方式衰變成鈣-40。鉀-40的衰變常數：
λe=0.581×10^(-10)/年，λβ=4.962×10^(-10)/年；
λ=(0.581+4.962)×10^(-10)/年=5.543×10^(-10)/年。
天然氬有三個同位素：氬-36、氬-38和氬-40，其中氬-36和氬-38也都是穩定同位素，氬-40的豐度又高達99.6%，因此，可以認為氬-40全部是由衰變而生成的。
氬-40來源於鉀-40的衰變，那么經歷時間t後，氬-40的含量就可由：
N=(λe/λ)(No-N’)=(λeN’/λ)[e^(λt)-1]；（註：N是氬-40的量，N’是鉀-40在過了時間t之後剩餘的量；而λe/λ可稱之為衰變分支比。）
所以t=ln(1+λN/λeN’)/λ。
鉀-氬法在地質科學研究測定岩石的年齡領域已經得到廣泛套用，氬是氣體，在其生成、存在過程中難免會有逸散，使得實驗結果偏低。該法適用於測定岩石年齡在5×10^5年到10^7年的標本，對於區域範圍外的標本，測定結果不可靠。
⒉鈾系法測定年代：
在鈾系中，鈾-238(T=4.5×10^9年)和鈾-235(T=7×10^8年)的壽命都足夠長，在它們眾多子體核素中，適宜做時鐘的有：鈾-234(T=2.5×10^5年)、釷-230(T=7.7×10^4年)、鐳-226(T=1602年)、鏷-231(T=3.2×10^4年)。例如測定海洋中沉積物的年齡就可以用釷-230。假設海水中鈾的濃度恆定(鈾的半衰期遠大於釷)，鈾衰變生成的釷則在沉積物中以半衰期77000年的速度減少。如果海水中的沉積速度均勻，那么，單位重量的沉積物中釷的量應該隨深度按指數規律減少，則一定深度處的沉積年代就可測定出來。為了避免沉積速度變化（如洋流、潮汐等的改變）帶來的誤差，可用釷-230/釷-232的比值來替代釷-230測算。
利用放射性衰變的母子體關係來測定年代的方法還有很多，除此之外，銣-鍶法、鈾-鉛比法等都可以測定礦物、地球和隕石的年齡。
放射性計時法除以上套用外，還能對隕石的研究和宇宙學提供許多重要信息：如隕石從元素形成到固化所經歷的時間、隕石在宇宙空間中飛行的時間、隕石到達地球的年代等。
①與地球和隕石的年齡相比，碘-129(T=1.7×10^7年)是很短的，元素形成時生成的碘-129已然消失了蹤跡；但是卻可以發現從它衰變得到的子體——穩定的氙-129的蹤跡。在某些隕石中發現氙-129的豐度反常的增高，這可以用原始的碘-129衰變生成氙-129來解釋。這個現象說明隕石在固化前氙不能凝聚所引起的，因此，由現存的氙-129可以計算出從元素形成到隕石固化所經歷的時間。實驗測得這個時間一般在3～5×10^8年的範圍。
②隕石在宇宙中飛行時一直受到宇宙射線作用，發生了許多由宇宙射線引起的核反應。宇宙射線的強度在幾百萬年間是恆定的，因此放射性核素也以恆定的速率生成，經過足夠漫長的時間達到飽和，這些放射性核素衰變產生的穩定子體核素則隨飛行時間增長而增加。因此，根據隕石中母、子體核素含量可計算隕石在宇宙空間中的飛行時間。常用於分析測定的核素組有氚和氯-36，其衰變方式是：氚→β-衰變→氦-3；氯-36→β-衰變→氬-36。此法測得的一些隕石飛行時間為2×10^6～1.5×10^9年。這一時間比隕石固化以後的年齡要短得多，這表明隕石在很長一段時間裡是被禁止著的，沒有受到宇宙射線照射。由此可推斷這些隕石起初可能是某一行星的部分，以後才破裂產生。
③從隕石中的碳-14的絕對放射性強度可以計算出鐵隕石的地球年齡(落到地球後的年齡)。因為鐵隕石中還有固定組成的氮，它在宇宙射線作用下生成碳-14並達到飽和值，隕石落到地球上以後，大氣層禁止了大多數的高能宇宙射線，碳-14不再生成，並按指數規律衰變，由此可計算隕石的地球年齡。
熱釋光測定年代
熱釋光是一種固體發光現象，發光原因是因為輻射作用於結晶體之後，固體晶格中以電子發生位移來貯存從輻射中接受到的能量，這種貯存電子在低溫或常溫下能在一定時間之內保持其貯能狀態，而加熱(500℃以下)即復位，同時將它貯存的能量以光子的形式釋放出來，這就是熱釋光現象。
經深入研究，發現大多數礦物也具有這種熱釋光現象，假設自然界在一定的地域記憶體在輻射來源恆定不變，則可以利用熱釋光技術測定其年代。
利用石英的熱釋光來測定年代，其方法如下：
已知石英的熱釋光曲線有5個發光峰，其中375℃的高溫區發光峰的貯能電子平均壽命是10^7年，二氧化矽的這個發光峰對輻射的靈敏度恆定不變。因此，可用作圖法求出所研究的石英標本中積存的熱釋光量相當於接受了多少輻射劑量，這個值一般用等效β劑量來表示。它代表石英標本接受了各種輻射劑量的總和。然後，再分析標本在其所在環境中每年提供的年劑量率，有了這兩個值就可以計算出該標本存在的年代。
低溫峰靈敏度增高法是另一種熱釋光測定年代法。這種方法適用於對短壽命標本的年齡進行測定。
熱釋光測定年代的技術可以用來測定百萬年這樣寬廣的時域，是很有價值的放射性計時法。
