为什么用碳14检测化石的年代

题目

为什么用碳14检测化石的年代

答案

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.