為什么用碳14檢測化石的年代

【專家解說】：放射性核素衰變的速度不隨地球上的物理?xiàng)l件而變化，這提供了一種天然的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。雖然目前也有研究說明一些核素的半衰期與核素的化學(xué)環(huán)境有關(guān)〖因?yàn)樗幍幕瘜W(xué)環(huán)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(xì)結(jié)構(gòu)，從而影響到半衰期；不過，由于這個(gè)效應(yīng)是很微弱的，對核素的半衰期影響不會(huì)有數(shù)量級的不同，所以，現(xiàn)代放射性核素計(jì)時(shí)仍然是一種用于測定年代的先進(jìn)手法之一?！健? 核素年齡鑒定法廣泛用于地層、巖石、礦物和隕石年齡的測定。它給地球化學(xué)和宇宙學(xué)的研究提供了一項(xiàng)很重要的手段。 放射性核素衰變服從衰變規(guī)律：N=Noe^(-λt)，t=(1/λ)×ln(No/N)=τ×ln(No/N)……①。 其中，λ是衰變常數(shù)，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(shí)候，原子核的數(shù)量是一個(gè)很難測量的數(shù)據(jù)，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(xiàn)在有超靈敏質(zhì)譜儀，已經(jīng)可以直接測量樣本的原子核數(shù)量[1]。 一、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(wěn)定核素氮-14發(fā)生N(n,p)C反應(yīng)能夠產(chǎn)生碳-14，而碳-14又會(huì)發(fā)生半衰期T=5730年的β衰變變成氮-14，由此構(gòu)建一個(gè)核素平衡。碳-14與氧氣反應(yīng)生成的二氧化碳被生物圈接收，活體生物體內(nèi)的碳-14與碳-12濃度比例是一定【經(jīng)測定，碳-14的同位素豐度為1.2×10^(-12)】的，只有當(dāng)生物死亡后，碳循環(huán)中斷，碳-14逐漸衰變至沒有。在化石標(biāo)本中采樣測量碳-14的豐度，與1.2×10^(-12)比較，即可計(jì)算出生物生活的年代。 比如：一個(gè)化石樣品含有碳-14的豐度是4.3×10^(-13)，則可計(jì)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(yīng)該注意以下幾個(gè)問題： ⒈標(biāo)本采集與處理： 用作測定年代的碳標(biāo)本必須滿足如下三點(diǎn)要求： ⑴標(biāo)本確實(shí)來源于碳循環(huán)，在停止碳循環(huán)前，標(biāo)本中碳-14豐度比活度(A=λN，原子核數(shù)量，早期核測量沒有很好的計(jì)數(shù)器，所以都用活度來替代原子核數(shù)量。)與現(xiàn)代碳-14豐度比活度相等； ⑵停止碳循環(huán)后，沒有經(jīng)歷過任何次生性變化，始終保存其原生性質(zhì)； ⑶標(biāo)本在研究對象中具有真正的代表性。 可以測定的標(biāo)本有動(dòng)植物殘骸、原生無機(jī)碳酸鹽、生物碳酸鹽及其有機(jī)沉積物、土壤以及含碳古遺物。所有標(biāo)本在加工制成測量樣品之前都需要經(jīng)清洗，絕對禁止有現(xiàn)代碳和其它不同年代碳的污染。 ⒉現(xiàn)代碳標(biāo)準(zhǔn)的確定： 碳-14的比活度不是一個(gè)恒定的值【對于用超靈敏質(zhì)譜儀[2]測定的時(shí)候，相當(dāng)于就是說碳-14原子核數(shù)量不恒定?！浚a(chǎn)生這種情況的原因是： ⑴自然界存在碳的同位素濃集效應(yīng)，處于不同化學(xué)環(huán)境的碳中的碳-14含量并不完全一致； ⑵人類的活動(dòng)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?yàn)榛剂现械奶?14濃度因?yàn)樗プ冏兩倭?，燃燒這種燃料的時(shí)候，產(chǎn)生的二氧化碳中的碳-14要比直接燒新砍伐的木柴要少?！剑硗饩褪谴髿鈱又械暮朔磻?yīng)使得植物中的碳-14含量增加了50%左右，這就需要制定一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，才能獲得可供比較的年代數(shù)據(jù)。 1959年國際會(huì)議確認(rèn)美國國家標(biāo)準(zhǔn)局制定的草酸作為現(xiàn)代碳的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，并以1950年放射性的95%作為現(xiàn)代碳的標(biāo)準(zhǔn)放射性。 ⒊樹輪校正： 為了校正因⒉中所說的誤差，可以采用樹輪校正法： 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(huì)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(dá)800多年。因此，對那些需要精確年代數(shù)據(jù)的標(biāo)本，必須采用樹輪校正。 碳-14放射性計(jì)數(shù)方法所能測出的標(biāo)本，其年代不能超出30000年。因?yàn)槟甏竭_(dá)30000年后，標(biāo)本中每克碳中碳-14的計(jì)數(shù)已不到1cpm【放射性強(qiáng)度測量單位，意即每分鐘探測到的衰變數(shù)；同樣的還有cps，每秒鐘探測到的衰變數(shù)?！?；不過，如果是用超靈敏質(zhì)譜儀，則測定的年代可以稍微更久遠(yuǎn)一點(diǎn)，可以測量約停止碳循環(huán)100000年左右的標(biāo)本。