碳14:碳元素的具放射性的同位素-中文百科頻道

發展簡史

由于其半衰期達5,730年，且碳是有機物的元素之一，我們可以根據死亡生物體的體内殘餘碳-14成分來推斷它的存在年齡。生物在生存的時候，由于需要呼吸，其體内的碳-14含量大緻不變，生物死去後會停止呼吸，此時體内的碳-14開始減少。由于碳元素在自然界的各個同位素的比例一直都很穩定，人們可透過測量一件古物的碳-14含量，來估計它的大概年齡。這種方法稱之為放射性碳定年法。

這個方法估計的大氣碳-14含量通過植物年輪（最多可推算到大約10000年前）或者洞穴堆積物（例如鐘乳石，最多可推算到大約45000年前）來推算。根據這個推算（更确切的說）對比年輪和洞穴堆積物就可以建立起碳-14的年代變化模型，從而獲得其它樣本的年齡。

不過，碳-14測年法最大測算時間不超過6萬年，而且所測得的年代有頗大的誤差。而且它的假定，即大氣中的碳-14濃度不會随時間而改變，也與事實有落差。此外，碳-14測定法亦有可能受到諸如火山爆發等自然因素影響，因為在火山噴發時将地下大量氣體和物質帶到大氣中，從而影響碳-14在某區域大氣中的含量。所以，若沒有其他年代測定方法（如：利用樹木的年輪）來檢訂，單單依賴碳-14的測年數據并不完全可靠。随着現代工業的高速發展和大量化石燃料的應用，古代深藏地下的碳-14被排放到大氣中并進入生物循環，放射性碳定年法的結果因此也十分容易受到幹擾。

利用宇宙射線産生的放射性同位素碳-14來測定含碳物質的年齡，就叫碳-14測年。由美國科學家馬丁·卡門與同事塞缪爾·魯賓于1940年發現。已故著名考古學家夏鼐先生對碳-14測定考古年代的作用給了極高的評價：“由于碳-14測定年代法的采用，使不同地區的各種新石器文化有了時間關系的框架，使中國的新石器考古學因為有了确切的年代序列而進入了一個新時期。

那麼，碳-14測年法是如何測定古代遺存的年齡呢？原來，宇宙射線在大氣中能夠産生放射性碳-14，并能與氧結合成二氧化碳形後進入所有活組織，先為植物吸收，後為動物納入。隻要植物或動物生存着，它們就會持續不斷地吸收碳-14，在機體内保持一定的水平。而當有機體死亡後，即會停止呼吸碳-14，其組織内的碳-14便以5730年的半衰期開始衰變并逐漸消失。對于任何含碳物質，隻要測定剩下的放射性碳-14的含量，就可推斷其年代。

成分結構

碳-14測年法分為常規碳-14測年法和加速器質譜碳-14測年法兩種。當時，Libby發明的就是常規碳-14測年法。1950年以來，這種方法的技術與應用在全球有了顯著進展，但它的局限性也很明顯，即必須使用大量的樣品和較長的測量時間。于是，加速器質譜碳-14測年技術發展起來了。

加速器質譜碳-14測年法具有明顯的獨特優點。一是樣品用量少，隻需1～5毫克樣品就可以了，如一小片織物、骨屑、古陶瓷器表面或氣孔中的微量碳粉都可測量；而常規碳—14測年法則需1～5克樣品，相差3個數量級。二是靈敏度高，其測量同位素比值的靈敏度可達10-15至10-16；而常規碳-14測年法則與之相差5～7個數量級。三是測量時間短，測量現代碳若要達到1%的精度，隻需10～20分鐘；而常規碳-14測年法卻需12～20小時。

正是由于加速器質譜碳-14測年法具有上述優點，自其問世以來，一直為考古學家、古人類學家和地質學家所重視，并得到了廣泛的應用。可以說，對測定50000年以内的文物樣品，加速器質譜碳-14測年法是測定精度最高的一種。

二、碳-14标記化合物的應用。

碳-14标記化合物是指用放射性14C取代化合物中它的穩定同位素碳-12，并以碳-14作為标記的放射性标記化合物。它與未标記的相應化合物具有相同的化學與生物學性質，不同的隻是它們帶有放射性，可以利用放射性探測技術來追蹤。

自20世紀40年代，就開始了碳-14标記化合物的研制、生産和應用。由于碳是構成有機物三大重要元素之一，碳-14半衰期長，β期線能量較低，空氣中最大射程 22cm，屬于低毒核素，所以碳-14标記化合物産品應用範圍廣。至80年代，國際上以商品形式出售的碳-14标記化合物，包括了氨基酸、多肽、蛋白質、糖類、核酸類、類脂類、類固醇類及醫學研究用的神經藥物、受體、維生素和其他藥物等，品種已達近千種，約占所有放射性标記化合物的一半。

應用領域

碳-14呼氣試驗

幽門螺杆菌（Hp）可引起多種胃病，包括胃炎、胃潰瘍、十二指腸潰瘍、非潰瘍性消化不良、胃癌等。因此，根除幽門螺杆菌已經成為現代消化道疾病治療的重要措施。

幽門螺杆菌可産生高活性的尿素酶。當病人服用碳14标記的尿素後，如患者的胃内存在Hp感染，胃中的尿素酶可将尿素分解為氨和碳-14标記的CO2，碳14标記的CO2通過血液經呼氣排出，定時收集呼出的氣體，通過分析呼氣中碳-14标記的CO2的含量即可判斷患者是否存在幽門螺杆菌感染。

相比于傳統的胃鏡檢查，該法簡單、高效、準确率高，減輕了病人的身體和精神負擔。

标記化合物

碳-14标記化合物廣泛應用于化學、生物學、醫學領域中，采用放射性标記化合物進行示蹤，具有方法簡單、易于追蹤、準确性和靈敏性高等特點。

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定核素氮-14發生N(n,p)C反應能夠産生碳-14，而碳-14又會發生半衰期T=5730年的β衰變變成氮-14，由此構建一個核素平衡。碳-14與氧氣反應生成的二氧化碳被生物圈接收，活體生物體内的碳-14與碳-12濃度比例是一定【經測定，碳-14的同位素豐度為1.2×10^(-12)】的，隻有當生物死亡後，碳循環中斷，碳-14逐漸衰變至沒有。在化石标本中采樣測量碳-14的豐度，與1.2×10^(-12)比較，即可計算出生物生活的年代。多數和鈾钍測年對同一批樣品交叉使用

比如：一個化石樣品含有碳-14的豐度是4.3×10^(-13)，則可計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（N‘=Ne^(-λt)）。