放射性碳

放射性碳同位素——

,於1936年被發現,為碳元素的多種同位素之一。其中

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的比度分別為98.89%、1.11%和0.00000000010%。 Arnold和Libby首先測定了其半衰期為5568年,測定上限一般為5～ 6× 104a。含量通常用樣品的放射比度表示,即每克碳的放射性活度(Bq/gC)。實際中常使用相對濃度單位(A)表示,即現代碳百分含量(pmc或%mod)。

標準樣品是國際規定的、1840～ 1860年間生長的樹木的碳(未受工業污染),其放射性比度為0.226Bq /gC,定義為100%mod。但是由於標準樣品難以取到,故實際中使用NBS-4990草酸(Ox1) (1950)。兩者關係為: As=0.95× AOx1。後來又使用了新的一批草酸(Ox2),其與標準放射性關係: As=0.7459×AOx2。

放射性碳的來源有二：一是天然源,即在平流層和對流層之間的過渡地帶由二次宇宙射線的慢中子轟擊氮原子而生成。

二為人工源,即由人類進行核反應(包括空中核爆炸、核反應及加速器)而產生。生成的14-C在大氣層中又迅速與氧結合,形成14-CO2並與不活潑的14-CO2相混和,遍佈於大氣圈中。

現代放射性碳同位素方法的進步主要體現在兩個方面,即,待測樣品的製取和測試技術。最早用來成功測定14 C的放射性的方法是固體法。 Libby將標本用化學方法制備成純淨碳末塗在屏柵蓋革管的管壁作陰極,同時計數管用重金屬層屏蔽以除去大部分宇宙射線和環境放射性,在標本計數管外圍一圈蓋革管以消除宇宙射線中高能帶電離子,從而成功測定了樣品的14C放射性,奠定了放射性碳同位素方法的基本理論及實驗基礎。之後,隨着正比計數的發展,1953～ 1954年間建成了氣體法,因其在操作和精確度方面的優勢逐漸取代了固體法。依據某些物質給高能粒子碰撞候其分子被激發出並伴隨發光現象,液體閃爍分光計技術逐漸發展起來,至今在實驗室裏仍被普遍使用。遺憾的是,液體閃爍計也會受到苯中雜質的影響使輸出脈衝電流減弱,需要進行修正。近年來許多學者對它進行改進,取得了更好的效果。如Charman等研製了ICELS系統,使得14C的測定精度超過了以往很少出現的0.04% 。然而,直到加速器質量分光計(Accelerator Mass Spectrometry)的發明及使用,才使得14C的測試技術真正躍入了新的階段,這對放射性碳同位素研究的發展起到了極大的推動作用。

1977年,這種設備由Rochester/Toronto和the GeneralIonex Corporation發起,後於Simon Fraser& Mc-Master大學研製成功。與傳統方法相比,其測量敏感度很高,可達到10-15 (同位素比值),所需樣品量卻只要毫克級,而且測定時間也大大縮短。雖然現在全世界已有130餘個放射性碳測年實驗室,但是由於AMS的造價昂貴及測定費用過高,使該技術的普遍使用受到一定限制。然而,許多因素仍對放射性碳測定技術有一定影響,如半衰期的測定、同位素的分餾以及大氣中14C濃度變化等。因此,測試數據結果常呈現不準確性、偏離性甚至是導致非正常值的出現,每10到20個14 C測年數據就有1個遠離正常值。可見,使用統計方法對14C年齡進行校正十分必要。值得一提的是,由樹輪、珊瑚、有孔蟲類獲得數據而繪製的IntCal校正曲線,2004年又推出了最新版本取代了1998版本,把可校正年齡又向前推進了2000年,達到26 000年。隨着信息技術的發展,目前許多計算機軟件程序已被用於14C研究的數據分析和校正中,從而大大提高了數據的處理效率和測定精度。例如,英國謝菲爾德大學概率統計學院研製的B Cal系統可以在線查詢校正曲線年齡; P.J.Reimer和R.W.Reimer研製的CaliBomb程序專門為核爆炸後14 C測定提供在線校正;除此之外,還有P.J. Reimer,和R.W. Reimer的CALIB 5.0,J.vander Plicht的WinCal25等軟件。進行放射性碳研究的數據處理量巨大,因此能夠提供高效存儲、查詢的數據庫的建立則顯得十分迫切和必要。目前,美國、加拿大、英國、意大利等國已經分別建立了這種數據庫和搜索引擎。 ^[1] 

一方面是用於測年, 1952年美國科學家Libby發表了《 Radiocarben Dating》一書,標誌着14C測年法的誕生。其主要原理為14 C與12 C的比值在自然界(包括大氣圈、生物圈)中保持基本不變,當生物體死亡後,新陳代謝停止,不再攝入14C,而14C又繼續衰變,因比值不斷增大,就可以通過該比值的測定來算出生物體死亡的年代。這一方法被廣泛用於考古、地質科學的研究中。另一方面則是標記作用,即用14 C取代化合物中12C,與未標記化合物相比,物理化學性質沒有改變,只是帶有放射性。這樣,通過放射性的測量人們就可以清楚的得到化合物運移的路徑和過程。這一方法被廣泛用於醫學、地質、農業、水利等行業。

14C對於水文地質的研究也具有相當重要的意義。大氣圈中不斷生成的新的14C由於其自身的衰變和被生物圈和水圈的物質吸收,從而使得大氣中14 C濃度維持相對的動態平衡。其中每年生成天然14 C約9.8 kg,大氣中總累積量約80 t。許多學者對大氣中14C的產生速率及其分佈、變化進行了研究(例如,K.Hughen等[4]; Usoskin[5])。大氣圈中14C通過光合作用和呼吸作用進入生物圈,同時與水圈及岩石圈進行交換。這樣,在大氣圈、生物圈、水圈及岩石圈中14C的循環得以形成,其相互關係密切。

可見,在這種天然循環的過程中,14 C所帶入的各種環境信息,無疑與各種水體的成因密切相關,而且,各水體中所含14 C物質從交換儲存庫轉入非交換存庫,也間接賦予以定年的意義。除此之外,水文地質條件的複雜性使得補、排邊界以及地下水流動路徑難以確定,地下水巖作用的過程更是無法弄清,而14 C的靈敏示蹤劑本領恰恰彌補了手段的不足,為水文地質學的研究增添了無限的動力。14C技術的不斷進步,對水文地質學發展起着廣泛的推動作用。 ^[1]