您可能讀到過或者聽到過一些新聞故事，講的是令人著迷的古代文物。在一次考古挖掘中出土了一件木製工具，考古學家發現它已有5000年的歷史。在安第斯發現了一具孩童的木乃伊，考古學家聲稱其生活年代在2000多年前。科學家如何知道一件物品或一具屍體的歷史年代？他們使用的是什麼方法，這些方法的原理是什麼？在本文中，我們將會介紹科學家使用放射現象測定物體年代的方法，其中最知名的就是C14年代測定法。

C14年代測定法可以確定生物起源在約5萬年內的考古文物的年代，用於對骨骼、衣物、木材、植物纖維等古代人類行為相關產物進行年代測定。

每天都有大量宇宙射線進入地球大氣層。例如，我們每人每小時要承受大約50萬束宇宙射線的照射。宇宙射線與大氣層中的原子碰撞的情況並不罕見，由此產生的二級宇宙射線以高能中子態存在，同時這些高能中子也經常會與氮原子碰撞。當中子碰撞時，N14（7個質子，7箇中子）原子就會變成C14原子（6個質子，8箇中子）和1個氫原子（1個質子，0箇中子）。C14具有放射性，其半衰期約為5700年。

更多有關宇宙射線和半衰期的資訊以及放射性衰減的過程，請看核輻射揭秘。

生物中的碳-14

宇宙射線創造的C14原子與氧結合會形成二氧化碳，植物將其吸收後會透過光合作用融入到植物纖維。食用植物的動物和人類同樣會攝取C14。空氣和所有生物中普通碳（C12）與C14的比例在任何時代都是幾乎不變的。一萬億個碳原子中可能有一個是C14。C14一直在衰變，但它們會按照恆定速度被新的C14原子取代。此時，您的體內有一定比例的C14原子，而所有的植物和動物也都有相同比例的C14原子。

活的生物體一旦死亡，就會停止攝取新的碳。所有生物體死亡的那一刻C12和C14的比例都是一樣的，但C14會繼續衰變，而且不會得到補充。C14按半衰期為5700年的速度衰變，而樣本中C12的數量仍然保持不變。透過測量樣本中C12與C14的比例，將其與活的生物體進行對比，就能相當精確地測算樣本的生存年代。

透過C14年代測定法計算樣本年代的公式如下：

t = [ ln (Nf/No) / (-0.693) ] x t1/2

其中，ln指的是自然對數，Nf/No是樣品中的C14與活體組織中相比的百分數，而t1/2是C14的半衰期（5700 年）。

這樣，如果化石中的C14與活體樣本相比是10%，那麼化石的年代即為：

t=[ln(0.10)/(-0.693)]x5700年

=[(-2.303)/(-0.693)]x5700年

=[3.323]x5700年=18940年

由於C14的半衰期是5700年，因此只能測定年代最多為6萬年的物體。不過，C14年代測定法的原則也適用於其他同位素。K40是在人體內發現的另外一種天然放射性元素，它的半衰期是13億年。其他常用於放射性年代測定法的放射性同位元素包括：鈾-235（半衰期=7.04億年）、鈾-238（半衰期= 45億年）、釷-232（半衰期=140億年）以及銣-87（半衰期=490億年）。

使用多種放射性同位素可以讓生物和地質樣本的年代測定有更高的精確度。不過，放射性同位素年代測定法在未來可能會變得不適用。於20世紀40年代後死亡的生物會因為核彈、核反應堆和露天核試驗的影響而難以精確測定年代。

碳-14是碳原子的一種放射性同位素，它是宇宙射線撞擊空氣中的氮原子而形成的。在大氣中，每一萬億個二氧化碳分子裡就有一個放射性碳-14，植物從大氣中吸收二氧化碳時就吸收了碳-14，人和動物吃進植物（食物）的同時也就吸收了碳-14。只有當一個生物體死亡後，它才不再吸收碳-14。於是，碳-14像其他放射性元素一樣，開始以穩定而均勻的速度衰減，其半衰（減）期為5730年，即每過5730年後，就有一半的碳-14消失，11460年後，只剩下四分之一的碳-14。而把活的或剛死亡的同類生物樣品的碳-14含量作為標準，就可以藉此測定出幾萬年前生物生存的精確年代。不僅如此，科學家還可測出任何由植物做成的東西的年齡，例如，房屋、羊皮紙卷手稿、衣服、紙張以及煤屑等。小小的碳-14原子的確派上了大用場。

發現這一自然奧秘並用實驗加以證實的人，是美國科學家威拉德·弗蘭克·利比（1908-1980）。他從宇宙射線和人工核反應的研究中得到啟發，認為自然界存在生成碳-14的條件，有可能檢測出來。1947年，利比在實驗室裡終於找到了一種解決檢測碳-14的方法：燃燒樣品，使其轉化為二氧化碳氣體，用輻射計測定二氧化碳中碳-14的數量。由此，利比建立了碳-14測定年代的方法。

1950年利比又用這種方法測定了金字塔的建造年代，竟奇蹟般地與歷史文獻記載吻合。

1960年，鑑於利比發現碳-14年代測定法，為人類創造出獨特的計時工具——“考古學時鐘”，他被授予諾貝爾化學獎。

由於碳-14年代測定法依據的是原子核的變化，不受周圍環境的物理、化學條件影響，而碳-14的半衰期（5730年）正適用於對幾千年到幾萬年前的標本進行測定，另外，一些含碳的物質，如木、草、貝殼等動植物遺骸在古代遺址中普遍存在，獲取標本很方便。因此，碳-14年代測定法被廣泛應用於史前考古學和第四紀晚期地質學的研究。

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碳-14是碳元素的一種具有放射性的同位素，它是透過宇宙射線撞擊空氣中的氮原子所產生。而碳-14又會發生半衰期T=5730年的衰變變成氮-14，由此構建一個核素平衡。

碳-14應用主要有兩個方面：一是在考古學中測定生物死亡年代，即放射性測年法；二是以碳- 14 標記化合物為示蹤劑，探索化學和生命科學中的微觀運動。1950年以來，這種方法的技術與應用有了顯著進展。於是加速器質譜碳-14 測年技術發展起來了。國外用它為文物瓷器斷代較為普遍。它的優點是：

一是樣品用量少，只需1～5 毫克就可以了。如古瓷器表面或氣孔中的微量碳粉都可以測量。

二是靈敏度高，其測量同位素的比值的靈敏度可達10～15。

三是測量時間短，只需要1O～20分鐘。

正是這些優點，一直為考古學家、地質學家所重視，並得到廣泛的應用。可以說，對測定5000年以內的文物樣品，加速器質譜碳-14測年法是測定精度較高的一種。

隨著時代的發展，做舊技術也在發展。多有傳言用X射線照射新瓷器，能加速同位素的衰變，造成測年斷代失誤。

建議：在用碳-14測年斷代的同時，最好把傳統的目測鑑定和古瓷器老化痕跡微觀鑑定結合起來，就會大大提高準確性。

一萬億個碳原子中可能有一個是C14。C14一直在衰變，但它們會按照恆定速度被新的C14原子取代。活的生物體一旦死亡，就會停止攝取新的碳。所有生物體死亡的那一刻C12和C14的比例都是一樣的，但C14會繼續衰變，而且不會得到補充。C14按半衰期為5700年的速度衰變，而樣本中C12的數量仍然保持不變。透過測量樣本中C12與C14的比例，將其與活的生物體進行對比，就能相當精確地測算樣本的生存年代。想要了解更專業的解讀，WX關注“鑑寶服務平臺”提問