基本介紹
- 中文名：放射性碳定年法
- 外文名：Radiocarbon Dating
- 別稱：C14測年
- 利用元素：放射性碳同位素，C14
- 學科：考古學、樹木年輪年代學
原理,校準,套用,考古學,樹木年輪年代學,樹輪的放射性碳校正,地下水放射性碳測年,放射性碳與生物基測試,
原理
我們都知道，在地球大氣層中有大量的氮14，氮14有7個質子和7箇中子。在宇宙射線的作用下，氮14得到一個中子同時失去一個質子變為擁有6個質子和8箇中子的碳14。因為碳14特殊的原子結構導致它非常的不穩定，所以被稱為放射性碳同位素。
碳14 與空氣中的氧氣結合形成含碳14的二氧化碳。植物通過光合作用吸收二氧化碳，動物食用植物，人類食用植物和動物。這樣碳14就在整個生物鏈中流通。由於大氣中含有大量的氮14，所以宇宙射線不斷作用於氮14就會不斷產生碳14。大氣中會不斷產生碳14，植物不斷吸收大氣中含有碳14的二氧化碳，這樣碳14在食物鏈中流通，當植物、動物和人類死亡的時候，其體內的碳14就開始衰變。這樣碳14的形成和碳14 的衰變就處於一個動態平衡的狀態。所以我們可以認為生物體內的碳14的含量與其當時中大氣碳14的含量是相等的。
由於生物的新陳代謝，包括植物光合作用及生物的呼吸作用等，碳14在整個食物鏈中處於一個動態平衡的過程。可以理解為整個生物圈中的碳14的含量在某個時期與當時的大氣中的含量是相同的。
氮14和宇宙中子形成放射性碳14，碳14立即被氧化形成含有碳14 的二氧化碳。當生物死亡之後，放射性碳14 立即開始衰變形成穩定氮同位素和一個中子，碳14的半衰期為5730年。可以用下面的一個簡單的動態變化圖來直觀表達大氣中放射性碳形成和衰變的循環過程。不斷地形成和不斷地衰變得動態過程我們就可以看作是一個穩定的碳14環境。
據Beta實驗室生物死亡之後就不再吸收碳14，但是碳14的衰變仍在繼續。下圖中紅色的線就是碳14衰變正弦曲線。當一個半衰期之後，就只剩下一半的碳14，第二個半衰期之後就只剩下四分之一的碳14，以此類推。所以測試樣品中剩餘碳14的含量就可以知道樣品的年齡。理論上碳14的含量不斷減少但永遠不會為零隻是無限接近零。但是對於50000年之前的樣品，碳14含量非常少，所以測試結果基本就不可靠。
據Beta實驗室校準
由於銀河宇宙射線的頻率會發生變化，所以大氣中生成C14的速率及含量會有變化，所以C14測年的得到的年齡與樣品真實的年齡存在一定的差距。在圖中可以看到紅色曲線所代表的真實年齡和未經過校正的藍色半衰期年齡直線的關係。所以最後得到的年齡並不是直接測得的C14年齡。
據Beta實驗室所以真正的測試結果年齡是需要經過校正的。校正之後的年齡範圍一般用cal BP或者cal AD/BC表示。校正之後的年齡區間與放射性碳測年的年齡對應關係取決於國際公認的資料庫的對比校正。
套用
考古學
歷史學、人類學和考古學是三個截然不同但密切相關的知識體系，它們藉助過去告訴人類現在。歷史學家可以知道不同地區有哪些文化曾經興盛，以及它們衰落的時間。人類學家可以描述人的生理特徵、文化、環境和社會關係。考古學家則證明文物的存在或揭開歷史或人類學的發現。
沒有其他任何科學能像考古學那樣，毋庸置疑地豐富了人類的歷史。考古學已設法解開了人類很大一部分未留下記錄的歷史之謎。
和生物科學不一樣，研究以前人類生活和活動殘留的材料對普通人來說可能並不重要或令人興奮。但是，考古學旨在了解人類，它是一項超越發掘寶藏、收集信息和測定年齡的崇高事業。正是了解了昔日文化不再存在的原因後，人類才明白了確保歷史不會重演的關鍵所在。
多年來，如果不是憑藉放射性碳測年，樹輪年代學，古地磁斷代，氟化物測年，光釋光測年以及黑曜石水化分析等技術，考古學發現的歷史文化信息將永遠都不被人所知。放射性碳測年技術的套用已有50年了，它徹底改變了考古學。碳14測年迄今仍是一項強大可靠的、廣泛適用的技術，對於考古學家和其他科學家來說極其寶貴。
樹木年輪年代學
樹木年輪年代學是基於樹木成長時樹木的年輪也在增加這一現象，故名樹木年輪測定。 樹木年輪學家通過分析和比較樹木和年老木頭的年輪樣式測定過去的環境中的事件和變化。他們可以判斷各樹木年輪形成的準確歷年。
樹木年輪測定結果在放射性碳測年的初期起到了重要作用。樹木年輪提供了檢查碳14測年方法的準確性所需要的年齡已知材料。在20世紀50年代後期，幾位科學家（特別是荷蘭人Hessel de Vries）能夠根據樹輪的碳測年收集的結果確認放射性碳年齡和日曆年齡之間的差異。樹輪根據樹木年輪學測定。
目前，樹輪仍用於校正放射性碳測年結果。不同日曆年齡的樹木年輪庫現在可以提供持續至過去1.1萬年的記錄。通常被用作參考的樹有美國的狐尾松（松屬細葉）以及愛爾蘭和德國的澇櫟（櫟屬）。放射性碳測年實驗室一直使用其他樹木物種的數據。
樹輪的放射性碳校正
原則上，通過比較某含碳樣品的放射性碳含量和一個已知日曆年齡的年輪放射性碳含量，就可以很容易確定樣品的年齡。如果樣品的放射性碳含量和樹輪的一樣，則可以有把握地得出它們的年齡相同的結論。
在實踐中，由於許多因素，樹輪校正並沒有那么簡單。其中最重要的是，對樹木年輪和樣品進行測量結果的精準度有限，因此得到的是一個估計的歷年範圍。
事實上，校正結果往往給出的是年齡範圍，而不是一個絕對值。年齡範圍採用截斷方法或機率方法計算，兩種方法都需要校正曲線。
地下水放射性碳測年
地下水測年可以表明地下水停止和空氣等其他物質直接接觸的時間，例如它可以表示水何時流入地下。然而，對於生存於含水層露頭區和空氣中的植物，在計算它們產生的碳酸鹽種類時還需考慮到含水層（母岩）中古代碳沉積的作用，這增加了許多不確定因素，使得測年結果存在誤差。由於這個原因，地下水的放射性碳測年在重複取樣的時候變得最有效。在這個情況下，存在不確定因素而獲得的絕對年齡並不是解讀的主要數據。未校正的表觀年齡才是主要數據。它們在研究中和其他表觀年齡進行對比。這可以很大程度的修正不確定因素。在所有情況下，最有效的數據都是來自這些對比而不是某一確切年齡。同樣地，未修正的表觀年齡也可以被解釋為最大年齡等，地下水的真實年齡可能等於或者小於它們的表觀年齡。
通過提取水中的碳酸鹽用於放射性碳測年，該測量可以提供有關地下水沉積補給以及水流流向和頻率的信息。這對於來自10- 40,000 年的樣品都有效。
地表水和降雨從空氣中吸收少量二氧化碳後流入地下。離開大氣層後，水開始接觸到土壤氣體，在這裡植物（根的呼吸作用）氣體分壓產生的二氧化碳要高得多。這些來源中的放射性碳被稱為“現代”級別，在年齡計算中作為參考。一般情況下，一個含水層需從20至60口以上的水井中取樣。若取樣少於10口井則不適合研究，在此情況下，年齡的解釋會不夠準確。
若含水層含有化石碳，如泥炭或者褐煤，那么放射性碳測年可能會出現模稜兩可的結果，而這些含水層也不適合運用放射性碳測年這個方法繼續研究。來自表層的水能夠提供有用的表觀“年齡”，但是存在著一個無法避免的問題，那就是碳稀釋校正，因為在水中，二氧化碳在壓力下很容易形成氣泡湧出而出現同位素效應。在這種情況下，我們無法計算一個“最佳預計年齡”。
放射性碳與生物基測試
放射性碳測年法適用於在工業產品中生物基含量測量,因為產品中包含了一些近代的生物質材料和石化衍生材料的組合。為此開發的標準稱為ASTM D6866。
近代的生物質材料(生物基成分)含有碳14,石化衍生材料(來自石油)沒有。因此所有的碳14產品來自生物基成分。對於一個包含生物質成分和石化衍生成分的產品，ASTM D6866分析將用碳14含量來計算產品中有多少是來自植物成分，有多少來自石油衍生成分。
例子: 通過ASTM D6866，100%來源石油衍生成分的聚乙烯製作的產品只有0% 的生物基含量,而一個由100%來源於植物的聚乙烯製作的產品將有一個100%的生物基含量結果。
通過ISO / IEC 17025:2005認證的Beta實驗室除了放射性碳測年外，還為全世界的產品製造商、分銷商和研究人員提供生物基產品、生物燃料、垃圾衍生燃料和燃燒排放氣體（CO2氣體）的生物基/可再生碳含量測試。
實驗室利用碳-14原理進行天然產品來源測試，如香精、香料、精油、化妝品和補充劑，來識別產品中的化石衍生來源成分。
