放射性碳定年法

放射性碳定年法，亦作放射性碳測年、14C測年方法、放射性14C定年法等，是一種利用碳的同位素14C的放射性來對含有有機物質的物品進行的方法。威拉得·利比於1940年代在美國芝加哥大學發現了放射性碳定年法，並因此在1960年獲得諾貝爾化學獎。這種方法基於大氣中的氮與宇宙線反應不斷在大氣中產生放射性碳大約是5730年，所以這種方法可以可靠地測量的最古老的樣本大約是五萬年左右，不過特殊的製備方法有時可以準確分析更古老的樣本。1960年代以來，科學家一直在研究過去的五萬年裡大氣中的14C比例，研究結果的資料形成了一條校準曲線，可以透過樣本中放射性碳的測量值來估計樣本的絕對年代。不過，不同型別的生物中14C的含量不同的燃燒和50、60年代在近地的核試驗使事情變得更復雜。因為生物體變成化石燃料所需要的時間遠遠比其14C含量降低到可檢測值以下所需的時間要長，因此化石燃料幾乎沒有14C，結果就是自19世紀末期開始，大氣中的14C比例大幅下降。反過來，核試驗大大提高了大氣中14C的含量，在1960年代中期達到了最大值，是核試驗之前含量的兩倍。放射性碳的測量最早使用β粒子計數器，計算樣本中14C原子衰變時放射出的β粒子。而現在人們一般使用加速器質譜法，這個方法能統計樣本中全部的14C原子數量，而不是隻統計少量在測量時發生衰變的14C，所以這種方法可以應用在更小的樣本上。背景.歷史.1939年，勞倫斯伯克利國家實驗室的和開始進行實驗，以確定是否有機物中常見的任何元素都具有半衰期足夠長的同位素，從而在生物醫學研究中有價值。他們用實驗室的迴旋加速器合成了14C，很快便發現這種原子的半衰期比之前設想的長的多。之後，在費城富蘭克林研究所供職的塞爾日·科爾夫曾發現過青銅時代的一條，用來鋪路的木材有曾用於其他用途的痕跡。河岸發現的漂流木也可能曾經用作建材。但不是每次都能發現木材被反覆使用的痕跡。其他材料也有類似的問題：比如在新石器時代，有的人會用柏油對水桶作防漏水處理。任何年代出產的柏油的放射性碳齡都遠遠超出實驗室儀器的測定範圍，因此如果研究人員不謹慎的話很容易被水桶的測定結果誤導。另一個與再利用相關的問題是對材料的長時間使用，或使用完畢後很久才報廢，這種情況下測出的樣本年代會比實際入土年齡要大。其他領域.除了考古學外，放射性碳定年法還可用於地質學、沉積學、湖泊研究等多個領域。古植物學家和古氣候學家可以透過AMS對小容量樣本進行檢定，從而確定沉積物序列中的花粉、少量植物材料和木炭的年代。在研究一個特定的地層時，科學家可透過地層中的有機物從而確定該地層的年代，還可以將該地層的資料拓展應用到另一地層上。放射性碳定年法還可用於測定生態系統中釋放的碳元素的年代，從而可以用來監測因人類活動、氣候變化從土壤中釋出的碳。最新的野外資料採集技術還能讓科學家檢定甲烷和二氧化碳的年代，二者皆為重要的溫室氣體。著名案例.圖克裡克斯化石森林的更新世/全新世邊界.更新世是一個大約始於260萬年前的地質年代。當前的地質年代是全新世，始於約11,700年前、更新世結束之際。20世紀的地理學家一直在確定這兩個地質年代的準確界限冰川重新發展時被毀，這是更新世結束時該地區最後一次冰川南移。在放射性碳定年法發明之前，科學家一直在試著將圖克裡克斯提取的沉積物與斯堪的納維亞的樣本序列進行比對，估算出森林的年代範圍在距今24,000年至19,000年之間，並認定這是在徹底消退前的最後一次發展的年代，標誌著更新世在北美洲的完結。1952年，利比從圖克裡克斯化石森林和附近其他情況類似的兩地提取了樣本並用放射性碳定年法測算，求得樣本年代為距今11,404±350年。當時人們對放射性碳瞭解得不夠深入，導致這一結果未經過校準。在接下來的十年裡，科學家陸陸續續發表了若干結果，平均值為距今11,350年，其中較為準確的一組資料的平均值為距今11,600年。古植物學家曾研究過斯堪的納維亞紋泥，以他為代表的一眾學者曾對放射性碳定年法求得的結果持異議，但最終其他地質學家決定不再採信安蒂夫斯的反對觀點。1990年代，科學家將這批樣本用AMS重新測了幾遍，結果落在距今11,640年—11,800年間，校準後得到距今13,730年—13,550年。圖克裡克斯化石森林的放射性碳定年年代讓現代科學家獲益匪淺，對人們瞭解更新世末期時北美洲冰期情況至關重要。死海古卷.1947年，科學家在死海附近的一個洞穴中發現了用希伯來語和亞拉姆語寫成的死海古卷，大部分可能是猶太小眾教派艾賽尼派所作。這些卷軸中包含了希伯來聖經已知的最早版本，因此對聖經文字的研究意義非凡。這些卷軸被亞麻布包裹著。1955年，利比對裹著的亞麻布取樣分析，估算年代為大約距今1,917±200年。古文字學家根據書寫風格的分析估算了21個卷軸的年代。1990年代，人們從這21個卷軸中選了一大半進行取樣，再加上剩下沒有經過古文字學分析的卷軸，一同送往兩所AMS實驗室測定。年代結果分佈在公元前4世紀早期到公元4世紀中期。送檢的卷軸中除了2個卷軸外，大多數卷軸測定的年代與古文字學分析的相差都不到100年。大以賽亞卷軸也在這批送檢樣本中，但由於對應時間段的校準曲線出現波動導致人們測算出兩個年代範圍：卷軸年代落在公元前355年至公元前295年的機率為15%，落在公元前210年至公元前45年的機率為84%，二者的置信水平均為2σ。但也有批評指出，在卷軸送檢之前，人們用現代生產的蓖麻油對這些卷軸進行過處理以方便閱讀，結果在用放射性碳定年法測算時沒能將這些蓖麻油清乾淨，導致樣本汙染，測出的年代也過晚。支援和反對這一批評的論文都不少。都靈裹屍布.有時，放射性碳定年法也會拿來用來檢定一些大眾感興趣的東西，比如都靈裹屍布。1988年，三所實驗室，結果顯示樣本出自14世紀，而非此前以為的1世紀。影響.在利比1949年發表那篇《科學》論文後不久，世界各地的大學紛紛建立起了自己的放射性碳定年法實驗室。在1960年時，全世界運作中的14C研究實驗室超過了20所。人們很快意識到放射性碳定年法背後的原理很經得起推敲，雖然在那時人們也有留意到碳定年法給出的結果和樣本實際年代有所出入，但當時人們並不清楚造成這一現象的原因。放射性碳定年法的發明對考古學意義重大，常被稱為“放射性碳革命”。人類學家R·E·泰勒評價道：“14C資料展示出的時間跨度打破了各地、各區域、各大洲的界限，為人類打開了通往史前世界的大門。”在此之前人們只能透過分析地層或石器、陶罐的型別來確定考古遺址的年代，放射性碳定年法對日期的測算能得到比這些方法更加精確的結果。此外，放射性碳定年法的結果還讓科學家得以橫向比對發生地點很遠的兩個事件，也讓考古界實地資料採集方法更上一層樓。有時候，這些實地考察方法之所以能有改善，是因為有學者希望推翻碳定年法得出的結論。放射性碳帶來的另一大好處，泰勒表示，便是考古學家終於從推定文物年代的重活中解放出來，可以把精力放在那些他們真正感興趣的研究話題上。比如，1970年代開始，考古界開始將興趣轉移到了人類行為的進化史上。放射性碳定年法還改變了人們對史前歐洲新發明傳播方式的看法。此前研究人員曾認為，新發明是透過陸路傳播逐漸滲透到各地的，或者是被侵略者帶入到被入侵的一方。但放射性碳定年法逐漸否定了這一看法，現在人們相信這些新發明是從當地社會內部自發地出現的。這一變革也被稱作“第二次放射性碳革命”。考古學家揶揄放射性碳定年法對史前英國研究的衝擊，稱其為給“逐漸惡化的入侵主義”的“放射……療法”。更廣泛地說，放射性碳定年法成功激起了考古學家對考古資料進行數理分析與統計的興趣。泰勒也將AMS所帶來的衝擊、對小樣本的精準測定形容為第三次放射性碳革命的前奏。研究人員還研究過其他元素由宇宙線產生的放射性同位素，以期這些元素能在考古學中發揮作用。目前，人們研究過的同位素有3He、10Be、21Ne、和。隨著AMS在1980年代的發展，人們現已能夠準確測量這些同位素，並將其應用到碳定年法的實戰之中，目前主要是在測量岩石的年代。天然產生的放射性同位素也可以用來定年，如鉀－氬年代測定法、和等。考古學家常用的年代測定技術還有熱釋光測年法、、電子自旋共振和。另還有依靠每年生成的一層新物質來確定年代的，如樹輪年代學、和年代學。