比较碳十二和碳十四

比较碳十二和碳十四
比较碳十二和碳十四

比较碳十二和碳十四
12C是质子数和中子都为6的碳原子,它是碳元素的一种同位素,在世界现存碳元素中丰度为98.89%,是最常见的碳同位素.
碳12原子被用来作为阿伏伽德罗常数的标准：12克碳12中所含原子的个数被定义为阿伏伽德罗常数6.022×10∟23.
碳12是国际单位制中定义摩尔的尺度,以12克碳12中含有的原子数为1摩尔.将各种原子（或分子、离子）的质量与碳12质量
的十二分之一的比值定义为该原子的相对原子质量,它的单位为1.
摩尔同时也是国际单位中的基本单位之一.
碳十四是碳的一种具放射性的同位素,于1940年首被发现.它是透过宇宙射线撞击空气中的氮原子所产生,其半衰期约为5,730年,衰变方式为β衰变,碳14原子转变为氮原子. 由于其半衰期达5,730年,且碳是有机物的元素之一,我们可以根据死亡生物体的体内残余碳14成份来推断它的存在年龄.生物在生存的时候,由于需要呼吸,其体内的碳14含量大致不变,生物死去后会停止呼吸,此时体内的碳14开始减少.由于碳元素在自然界的各个同位素的比例一直都很稳定,人们可透过倾测一件古物的碳14含量,来估计它的大概年龄.这种方法称之为碳定年法. 不过,碳14测年法所测得的年代有颇大的误差.因此,假若所测的物件比较近代,相对误差也更大.另一方面,碳14测定法亦有可能受到火山爆发等自然因素影响.所以,若没有其他年代测定方法来检订,单单依赖碳14的测年数据是完全不可靠的. 中国碳十四测年技术的发展 1949年3月,当美国科学家利比研究碳十四测年技术成功并发表成果时,中国的大地上却正激战正酣,国共双方的这场内战吸引了几乎所有人的目光,对于这项考古学革命性的成果,没有人去注意它. 新中国成立后,中国各项事业都开始启动.1955年,当时的中国科学院考古研究所副所长夏鼐首次关注到这项技术,并把它向中国考古界作了介绍,马上引起考古界强烈反响.当时,中国大地上考古发掘已取得许多重大发现,尤其是许多史前遗迹重见天日,但对于它们的年代却又说法不一,如果我们能够掌握这门技术,无疑会给考古界一个登上新高峰的机会. 但是当时的中国政治风潮叠起,考古学家直到1959年才见到曙光.在夏鼐同志的领导下,中科院物理研究所的年轻物理学家仇士华、蔡莲珍夫妇被调到考古所,中国第一个碳十四实验室正式筹建. 仇士华,1932年生于江苏,他自小便酷爱物理学,终于在1952年考入浙江大学物理系,一年后国家进行高校院系调整,浙大物理系被并入复旦大学,仇士华也随系来到上海,成为复旦大学物理系的学生.1955年毕业,分配到中国科学院物理研究所工作. 当时的中国科学院物理研究所其实是隐蔽的核物理研究所,是不可对外宣传的机密单位.要进入这样的单位,除了专业知识必须过硬外,还必须通过进乎苛刻的政治审查.当仇先生与他后来的妻子蔡莲珍通过重重考验进入该所时,二人心中升起一种由衷的自豪.他们决心为祖国的核物理事业奉献出自己的青春才华. 谁知天有不测风云,1957年,全国性的“反右”运动开始了.心直口快的仇士华夫妇被打成“右派”,不得不离开心爱的工作岗位,下放到农村劳动改造.这时中科院考古所开始进行碳十四实验室的筹建,但考古所自己却没有核物理学方面的人材,不得不向物理所求援,时任牧师所放射化学研究室主任的杨承宗向夏鼐推荐了正在蒙难的仇士华夫妇,这时,由于国家正在进行卫星研究,大量的技术工作急需解决,经反复研究,有关方面终于批准将原物理所的“右派”们包括仇氏夫妇召回北京.两月后,即1959年1月,经考古所与物理所协商,中科院组织部批准,仇士华与夫人蔡莲珍戴着右派帽子来到考古所进行二次创业. 面对全新的环境,仇士华兴奋不已,但困难是他始料未及的.他们唯一的资料就是利比先生的《放射性碳素测定年代》原著,没有任何现成的仪器,没有任何经验.仇士华是个越困难越大越要奋斗的人,他想,技术是人创造的,自己的处境总比利比要强,通过研究资料,他从零开始,一步一个脚印,在有关领导的关怀下,经过四年的艰苦奋斗,终于完成了全部设备的配装工作,后又用了三年调试和改进,1965年中国自己的碳十四实验室终于初生了. 就在仇士华紧张地进行样品盲测以通过专家验收时,上海的姚文元发表了著名的《评新编历史剧〈海瑞罢官〉》,一年后,文化大革命爆发了.老右派仇士华被再次打倒,被发配到明港的一座军营.这里,仇士华遭遇到极为残酷的折磨.直到1971年,形势才有所好转.时任中科院院长的郭沫若以“出国参展文物没有具体年代”为由,请求调回碳十四实验室的人员,以便尽快测出年代.周恩来亲自做出批复,仇士华、蔡莲珍等人终于摆脱了厄运,回到自己的工作岗位.然而,实验室的仪器都被造反派破坏了,他们不等不靠,经过艰苦努力,终于修复设备,投入紧张的测年当中.十一届三中全会后,仇士华和蔡莲珍都被平反.再之后,实验室在仇士华的领导下,取得了许多令人振奋的硕果. 比如,北京周口店出土的“山顶洞人”过去一直认为距今十万左右,经碳十四测年,为一万九千年.再比如早期商城郑州商城和偃师商城,专家们对它们的年代谁先谁后,打了多年口水战,后经测年,发现这两个商城的年代相差在五十年内,基本上是同时代的产物. 仇士华他们用的还是常规法测年,以当时中国的技术和资金实力,要想短期内建立起AMS加速器质谱仪,还是件不可能的事.但幸运降临了.由于英国收缩财政支出,著名的牛津大学也被减少资金投入.大学的一个加速器被迫关闭.经过研究,校方准备将此设备无偿赠送给某个第三世界国家.这时,中国北大副校长陈佳洱来到英国,听到这个消息,马上与有关负责人联系,把这套设备争取过来.牛津大学提出要求,必须把这套设备充分利用,为科学作出贡献. 专家们经过认真研究,决定将这套设备加装成加速器质谱仪,并把重点放在考古、地质和生命科学领域.经过五年的努力,建成了中国第一座AMS实验室. 夏商周断代工程启动后,为了把实验数据做好,国家又投入巨资,购入最先进的设备,把它的技术水平提高到世界先进水平. 自然界中碳元素有三种同位素,即稳定同位素12C、13C和放射性同位素14C,14C的半衰期为5730年,14C的应用主要有两个方面：一是在考古学中测定生物死亡年代,即放射性测年法；二是以14C标记化合物为示踪剂,探索化学和生命科学中的微观运动. 一、利用宇宙射线产生的放射性同位素碳——14来测定含碳物质的年龄,就叫碳——14测年.已故著名考古学家厦鼐先生对碳——14测定考古年代的作用,给了极高的评价：“由于碳——14测定年代法的采用,使不同地区的各种新石器文化有了时间关系的框架,使中国的新石器考古学因为有了确切的年代序列而进入了一个新时期. 那么,碳——14测年法是如何测定古代遗存的年龄呢? 原来,宇宙射线在大气中能够产生放射性碳——14,并能与氧结合成二氧化碳形后进入所有活组织,先为植物吸收,后为动物纳入.只要植物或动物生存着,它们就会持续不断地吸收碳——14,在机体内保持一定的水平.而当有机体死亡后,即会停止呼吸碳——14,其组织内的碳——14便以5730年的半衰期开始衰变并逐渐消失.对于任何含碳物质,只要测定剩下的放射性碳——14的含量,就可推断其年代. 碳——14测年法分为常规碳——14测年法和加速器质谱碳——14测年法两种.当时,Libby发明的就是常规碳——14测年法,1950年以来,这种方法的技术与应用在全球有了显著进展,但它的局限性也很明显,即必须使用大量的样品和较长的测量时间.于是,加速器质谱碳——14测年技术发展起来了. 加速器质谱碳——14测年法具有明显的独特优点.一是样品用量少,只需1～5毫克样品就可以了,如一小片织物、骨屑、古陶瓷器表面或气孔中的微量碳粉都可测量；而常规碳——14测年法则需1～5克样品,相差3个数量级.二是灵敏度高,其测量同位素比值的灵敏度可达10-15至10-16；而常规碳——14测年法则与之相差5～7个数量级.三是测量时间短,测量现代碳若要达到1%的精度,只需10～20分钟；而常规碳——14测年法却需12～20小时. 正是由于加速器质谱碳——14测年法具有上述优点,自其问世以来,一直为考古学家、古人类学家和地质学家所重视,并得到了广泛的应用.可以说,对测定50000年以内的文物样品,加速器质谱碳——14测年法是测定精度最高的一种. 1.碳14是碳的一种具放射性的同位素,于1940年首被发现.它是透过宇宙射线撞击空气中的氮原子所产生,其半衰期约为5,730年,衰变方式为β衰变,碳14原子转变为氮原子. 2. 由于碳14半衰期达5,730年,且碳是有机物的元素之一,生物在生存的时候,由于需要呼吸,其体内的碳14含量大致不变,生物死去后会停止呼吸,此时体内的碳14开始减少.人们可透过倾测一件古物的碳14含量,来估计它的大概年龄,这种方法称之为碳定年法. （一）断代原理 自然界存在三种碳的同位素,它们的重量比例是12：13：14,分别用碳-12（C12）；碳-18（C18）；碳-14（C14）表示,它们的含量比例是98.9：1.1：10-10 .前二者是稳定同位素,只有碳-14有放射性,亦称放射性.碳C14放射β粒子后蜕变为N14,半衰期为5730±40年,反应式为:C14→N14+β一. C14的半衰期只有五千多年而地球存在已有数十亿年,自然界却存在着保持一定水平的放射性碳元素,为使 C14的产生和衰变处于平衡状态,保持一定水平,必然存在着一种源泉.这个来源就在大气高空层,在那里,宇宙射钱中子和大气氮核作用生成C14.发现这一自然现象并用实验加以证实的是C14法创始人利比(W.F.Libby).他从宇宙射线和人工核反应的研究中得到启发,认为自然界存在生成C14的条件,有可能检测出来.经过仔细考查计算,并在实验中解决了低能量低本底测量上的技术问题,测出了自然C14.由此建立了C14测定年代的方法. 最初,外来的宇宙射线与大气作用产生宇宙射线中子.宇宙射线中子和大气中氮核起核反应产生碳-14: 0n1+7N14→⒍C14+1H1 这一反应都在高空完成,新生碳原子在大气环境中不能游离存在很久,一般都与氧结合生成C14O2分子,C14O2和原来存在于大气中的CO2化学性能是相同的,因此必然与原有CO2混合参加自然界碳的交换循环运动. 植物通过光合作用将CO2结合成植物组织,动物依植物为生,这就使生物界都混入了C14.动物通过排泄,死亡,植物通过腐烂,沉积,进入表层土壤而使C14进入土壤,大气与广大海面接触, CO2又与海水中溶解的碳酸盐和CO2进行交换,因此海水、海生物及海底沉积物中都含有C14.所以,凡是和大气中的CO2进行过直接或间接交换的含碳物质都包含C14. 这种产生C14的自然现象存在已久,同时C14按5730年半衰期衰变减少,这类碳中C14水平必然会到达平衡值.由于碳在自然界的交换循环相当快,处于与大气互相交换的各种物质在名地的C14水平基本上是一致的. 利用这种到处都 存在C14的自然现象就可以用来断代.例如陆地生物、海洋生物在生命过程中由于同大气经常交换,衰变掉的C14经常能得到补充,但一旦停止了交换（如死亡、沉积）,其C14就再得不到补充,C14水平因衰变而降低,每5730年降为原有水平的一半值.因此测量标本现存的C14放射性水平和它原始放射性水平相比较,就可以算出死亡或停止交换的年代,当然,几千年或几万年前处于交换状态的动植物的放射性水平是无法测知的,但若假定这种产生C14的自然现象几万年来都没有什么变化,就可以用现在世界各地处于交换平衡状态的动植物放射性水平,作为标本的原始放射性水平,即所谓“现代碳”放射性标准. 我国自主研究,在1981年制定出了适合中国的现代碳标准,即“中国糖碳标准”,经过国内和国外的测试,数据可靠,得到了国内外的一致好评. 放射性衰变规律可用数学式表示,标本年代的计算公式如下： A=τln No/NA A： 标本年代 τ：C14平均寿命 NA：标本现有放射性 No：标本原始放射性 C14平均寿命是一个常数,由实验测定,测出No、NA即可计算出标本年代. 但是,上面的结论要基于以下几点的假设： ① 假设大气中 C 的产生率不变. ② 假定放射性衰变 规律不变,不受任何外界环境的影响,生物样品一旦死亡就停止与碳储存库进行自由交换．③ 地球上各 交换库中 C 的放射性比重不随时间、地点、物质种类而改变,这个假设经检验基本成立 .国际公认 C 测年中的 B P 起算点是 1950 年（因为之后人工核爆炸产生的大量 C 对大气影响很大,而且从18世纪工业革命之后,大气中的普通C大大增加,对C的比率影响很大）④样品根本没有受到污染,如果不小心混入了早期或晚期的碳,那测出的结果跟我们想要的肯定会有很大差距. 这就是C14断代的原理,由于这一方法所依据的是原子核的变化.这种变化不受周围环境的物理、化学条件的影响,而C14半衰期（5730年）正适用于对几千年到几万年的标本进行断代.另外,一些含碳的物质,如木、草、骨、贝壳等动植物遗骸在古代遗址中普遍存在,因此,C14法自1950年建立起,就成为有力的断代手段而广泛应用于史前考古学和第四纪晚地质学. （二）测量技术 C14测定年代方法在技术上不同于一般放射性同位素测量,它的特点是放射性强度弱,能量低,自然碳中C14含量仅为1.2×10一10 %,每克碳的放射性强度仅几微微居里,即每分钟约有10 多个原子衰变,标本的年代越久远,放射性还会迅速降低,如二万年以上的标本,其计数率就会降到每分钟一次以下.针对这种情况,必须专门设计低本底低能量β射线的高效率探测器,把标本中的碳制备成探测器的组成部分,并在特制的屏蔽室中进行测量.如气体法将标本碳全部转成计数管中的计数气体,液体法则全部转成闪烁液的溶剂,这些基本要求就决定了C14年代测定必须要有一个完备的实验室,包括设有化学处理,标本制备的系统,完善的屏蔽设备,特制的探测器和能长时间工作而又稳定的电子测量系统,并且经过精心的操作才能保证数据准确可靠.