「放射性碳十四可以斷定年代」是什麼原理?


拿植物舉例。地球上二氧化碳中碳元素有炭一十二和碳十四兩種。放射性碳十四可以斷定年代的前提是假設地球上二氧化碳中碳十四含量一定,在植物死亡之前植物內的碳十四含量會與空氣中的碳十四含量保持一致,但是當植物死亡之後,植物將停止與大氣進行二氧化碳交換。但是碳十四會不斷的衰變減少,於是植物體內碳十四含量將會降低,通過測定植物體內的碳十四含量與原有含量之間的比值,通過公式T=t= frac{1}{lambda }  ullet lnfrac{N0}{N} (年限有效期好像是幾千年到五萬年之間計算有效)其中lambda 為碳十四衰變常數,N0和N分別是空氣中原有碳十四含量和待測植物體內碳十四含量。。。就這麼簡單。。
補充一下:關於為什麼說空氣的含量不變,來自外太空的宇宙射線與空氣中的氮會產生碳-14,已有的碳-14當然也以同樣的半衰期衰變,一邊產生,一邊衰變。。達到平衡。。


補充一下樓上。以前一直不明白為什麼植物死去後的C14會衰變導致含量變低,而環境中的不會,而這是整個問題的關鍵,所以差了一下維基百科:

碳-14是放射性的,它的形成是由於宇宙射線撞擊在地球大氣層中氮的隨機反應。當宇宙射線進入大氣層,它們經過數重轉化,包括中子的形成。

因為氮在地球大氣層的含量達80%,這個反應是較為普遍的。碳-14主要在30,000-50,000呎高空和較高的緯度形成,但碳-14卻平均分佈於大氣層,並且會與氧進行反應而形成二氧化碳。二氧化碳會穿透海洋溶於水中。由於假設在一段長時間之中,宇宙射綫通量(flux)是均等的,故可假設碳-14是均速形成的;因此,在地球大氣層和海洋中放射性與非放射性的碳的比例是固定的:約為1 ppt(part per trillion,1兆分之1:每一摩爾6萬億原子)。

傳送門: 放射性碳定年法


先上幾張圖,這是我大三的時候學放射化學的PPT:

由於C14的主要來源有兩個,一個是天然,一個是人工,其中天然產生的佔大多數,他是宇宙中的中子轟擊空氣中的氮形成的,反應式見第二張PPT,所以大氣中C14的比例基本是恆定的(當然現在人類核活動很多,導致現在大氣中C14含量升高),動植物在活著的時候在和大氣中的C14作著交換,大氣中的C14比利時恆定的,所以生物活著的時候,其身體裡面的C14濃度是和大氣中一樣的,而當動植物死了的時候,停止了C的交換,其身體裡面的C14就會不斷衰變,而大氣中的C14濃度在這幾億年中是不變的(因為有補給又有衰變,這兩者形成了動態平衡)。

所以我們只要知道了C14的衰變速度,以及樣品和大氣中C14的比活度就可以推算出動植物死亡年代!計算原理在第三張PPT上。(比活度的意義是每秒衰變次數,單位是Bq,1Bq意思是衰變一次/s)

現在我們可以利用這兩個公式進行計算:

其中第一個公式的意思是,放射性活度為Ao的物質經過t時間的自然衰變後的活度為At,Lamda是衰變常數,Lamda的含義見第二個公式,T1/2是半衰期,C14的半衰期為5730年。
所以我們只要測得了樣品的比活度(大氣中的C14比活度已知,是一個不變的常數),代入半衰期,我們就可以知道t是多少了!


簡單來說,活的生物由於代謝時碳12與碳14的比例是穩定的,當植物或動物死了後,碳12和碳14由於沒有了循環,屍體內碳12和碳14的含量就保持下來,但是碳14是會衰變成碳12的,半衰期大約是5700年吧,所以一測屍體的碳14含量就知道大約多少年了,當然誤差也有萬年。


放射性碳或碳14是碳元素的不穩定和弱放射性的同位素。穩定同位素是碳12和碳13。

碳14由於受到宇宙射線中子對氮14原子的作用,不斷地形成於大氣上層。它在空氣中迅速氧化,形成二氧化碳並進入全球碳循環。

動植物在它們的一生中都從二氧化碳中吸收碳14。當它們死亡後,就停止與生物圈的碳交換,其碳14含量開始減少,減少的速度由放射性衰變決定。

放射性碳定年本質上是一種用來測量剩餘放射能的方法。通過了解樣品中殘留的碳14含量,就可以知道有機物死亡的年齡。

但必須指出的是,放射性碳定年結果表明的是有機物死亡的時間,而不是源自該有機物的材料的使用時間。


初始量通過指數衰減到現在量,碳十四實驗室測量,已知公式其他參量求時間問題


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