为什么用碳14检测化石的年代

【专家解说】：放射性核素衰变的速度不随地球上的物理条件而变化，这提供了一种天然的时间标准。虽然目前也有研究说明一些核素的半衰期与核素的化学环境有关〖因为所处的化学环境不同，核外电子的能级就不一样，这可以影响原子核的超精细结构，从而影响到半衰期；不过，由于这个效应是很微弱的，对核素的半衰期影响不会有数量级的不同，所以，现代放射性核素计时仍然是一种用于测定年代的先进手法之一。〗。 核素年龄鉴定法广泛用于地层、岩石、矿物和陨石年龄的测定。它给地球化学和宇宙学的研究提供了一项很重要的手段。 放射性核素衰变服从衰变规律：N=Noe^(-λt)，t=(1/λ)×ln(No/N)=τ×ln(No/N)……①。 其中，λ是衰变常数，τ是核素的平均寿命，λ=ln2/T≈0.693/T；T是核素的半衰期。 早期核素测量的时候，原子核的数量是一个很难测量的数据，所以定义放射性核素的活度A=λN，代入①式可得：t=ln(Ao/A)T/ln2。不过现在有超灵敏质谱仪，已经可以直接测量样本的原子核数量[1]。 一、利用碳-14测定年代： 宇宙射线中的中子与大气中的大量存在的稳定核素氮-14发生N(n,p)C反应能够产生碳-14，而碳-14又会发生半衰期T=5730年的β衰变变成氮-14，由此构建一个核素平衡。碳-14与氧气反应生成的二氧化碳被生物圈接收，活体生物体内的碳-14与碳-12浓度比例是一定【经测定，碳-14的同位素丰度为1.2×10^(-12)】的，只有当生物死亡后，碳循环中断，碳-14逐渐衰变至没有。在化石标本中采样测量碳-14的丰度，与1.2×10^(-12)比较，即可计算出生物生活的年代。 比如：一个化石样品含有碳-14的丰度是4.3×10^(-13)，则可计算出该化石活体生活的年代距今t=ln(No/N)T/ln2=ln[1.2×10^(-12)÷4.3×10^(-13)]×5730÷ln2≈8483.9861年。 用碳-14测定年代应该注意以下几个问题： ⒈标本采集与处理： 用作测定年代的碳标本必须满足如下三点要求： ⑴标本确实来源于碳循环，在停止碳循环前，标本中碳-14丰度比活度(A=λN，原子核数量，早期核测量没有很好的计数器，所以都用活度来替代原子核数量。)与现代碳-14丰度比活度相等； ⑵停止碳循环后，没有经历过任何次生性变化，始终保存其原生性质； ⑶标本在研究对象中具有真正的代表性。 可以测定的标本有动植物残骸、原生无机碳酸盐、生物碳酸盐及其有机沉积物、土壤以及含碳古遗物。所有标本在加工制成测量样品之前都需要经清洗，绝对禁止有现代碳和其它不同年代碳的污染。 ⒉现代碳标准的确定： 碳-14的比活度不是一个恒定的值【对于用超灵敏质谱仪[2]测定的时候，相当于就是说碳-14原子核数量不恒定。】，产生这种情况的原因是： ⑴自然界存在碳的同位素浓集效应，处于不同化学环境的碳中的碳-14含量并不完全一致； ⑵人类的活动改变了大气中二氧化碳的碳同位素组成，如矿物燃料的大量使用，使碳-14含量降低了1～4%〖因为化石燃料中的碳-14浓度因为衰变变少了，燃烧这种燃料的时候，产生的二氧化碳中的碳-14要比直接烧新砍伐的木柴要少。〗，另外就是大气层中的核反应使得植物中的碳-14含量增加了50%左右，这就需要制定一个统一的标准，才能获得可供比较的年代数据。 1959年国际会议确认美国国家标准局制定的草酸作为现代碳的标准物质，并以1950年放射性的95%作为现代碳的标准放射性。 ⒊树轮校正： 为了校正因⒉中所说的误差，可以采用树轮校正法： 树木生长的年轮正确反映了树木的生长年代，树轮与碳-14测定的年龄是有一定差别的，大约每2000年会差出150年的样子。树木的年龄越老，年轮与碳-14测定的年龄相差越大，最多偏离可达800多年。因此，对那些需要精确年代数据的标本，必须采用树轮校正。 碳-14放射性计数方法所能测出的标本，其年代不能超出30000年。因为年代到达30000年后，标本中每克碳中碳-14的计数已不到1cpm【放射性强度测量单位，意即每分钟探测到的衰变数；同样的还有cps，每秒钟探测到的衰变数。】；不过，如果是用超灵敏质谱仪，则测定的年代可以稍微更久远一点，可以测量约停止碳循环100000年左右的标本。