2碳14测年法

第八章第四纪年代学Chapter8QuaternaryGeochronologyC第一节放射性碳测年法Section1RadioactiveCarbonDatingC1.14C测年的基本原理（1）自然界的碳同位素14C测年法是由美国放射性化学家W.F.Libby（利比）1949年首创的。由于他在14C测年方面的杰出贡献，1960年获得诺贝尔化学奖。14C方法是第四纪年龄测定的主要方法之一，测年精度很高。碳在自然界有3种同位素：12C（98.8%)13C（1.108%）14C（1.2×10-10%）——放射性同位素，主要产生于高空大气层。稳定同位素在高空大气层，由于宇宙射线的冲击，产生一些热中子和电子等多种粒子。热中子电子其它粒子热中子——运动很缓慢,能量在0.03电子伏特数量级。相对而言，还有“快中子”，能量在1.1兆电子伏特以上。中子不带电，且有一个质量单位。冲击概率恒定(2)14C的产生宇宙射线的主要成分为质子(83%～89%)、α粒子(10%～15%)及原子序数Z≥3的轻核和高能电子(1%～2%)，这种射线能量很高，可达10~20MeV以上。宇宙射线——是一种来自宇宙的能量特别大的带电粒子流。1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室乘气球升空测定空气电离度，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人取名为“宇宙射线”。太阳系是在圆盘状的银河系中运行的，运行过程中会发生相对于银河系中心位置的位移，每隔6200万年就会到达距离银河系中心的最远点。而整个“银河盘”又是在包裹着它的热气体中以每秒200公里的速度运行。“银河盘并不像飞盘那样圆滑”，科学家称，“它是扁平的”。当银河系的“北面”或前面与周围的热气摩擦时就会产生宇宙射线。宇宙射线的产生宇宙射线还存在着转化、簇(醋)射的过程。除中微子以外，几乎所有的高能宇宙射线，在穿过大气层时都要与大气中的氧、氮等原子核发生碰撞，并转化出次级宇宙线粒子，而超高能宇宙线的次级粒子又将有足够能量产生下一代粒子，如此下去，一级一级的转化，将会产生一个庞大的粒子群。1938年，法国人奥吉尔在阿尔卑斯山观测到了这一现象，并将其命名为“广延大气簇射”。宇宙射线为来自太阳系以外的高能量粒子，能量约从109eV到1020eV以上。在靠近地球的太空中，每秒每平方厘米约有一个宇宙射线穿过。宇宙射线的主要成份是质子，其它核种从氦核到铁核以上，甚至微量的镧系元素。在人造粒子加速器中其最高能量约为1013eV。宇宙射线的能谱横跨12个数量级的能量。能谱上有两个有重要物理意义的转折点，1015eV称为膝点(knee)，3×1018eV称为踝点(ankle)。极高能宇宙射线(UltraHighEnergyCosmicRays:UHECR)主要研究1018eV以上的宇宙射线。大气中有很多氮（大气中氮78.09%，氧20.95%，氩0.93%——容积的99.9%，质量的99.95%），热中子和氮原子碰撞，使氮原子转变为14C原子：14N7+1n014C6+p(1H1)大气氮热中子放射性碳质子质子中子质子中子氮碳14C是一种放射性同位素，一旦形成，便发生衰变：14C通过第一式不断产生，通过第二式不断衰变。思考：A.在14C6产生和衰变的最初一段时间，14C6产生与衰变的速度（单位时间内衰变的14C6原子数）如何？B.经过一段时间后，14C6产生与衰变的速度又如何？C.当14C6产生的速度与衰变速度相等时，大气中14C6的浓度如何？14C614N7+e-++Q（14C6衰变）14N7+1n014C6+p（14C6产生）12电子反中微子最大衰变能量(3)14C的衰变有一个流浪汉，每天得到100元救济款，但此君每天都花掉所拥有钱数的1/2，在救济开始的第一天之前，此君手中的钱数是0，濒于饿死。第1天得到100元存款100元花掉50元剩余50元第2天得到100元存款150元花掉75元剩余75元第3天得到100元存款175元花掉87.5元剩余87.5元第4天得到100元存款187.5元花掉93.75元剩余93.75元第5天得到100元存款193.75元花掉96.875元剩余96.875元第6天得到100元存款196.875元花掉98.4375元剩余98.4375元第7天得到100元存款198.4375元花掉99.21875元剩余99.21875元第8天得到100元存款199.21875元花掉99.609375元剩余99.609375元第9天得到100元存款199.609375元花掉99.8046875元剩余99.8046875元第10天得到100存款199.8046875花掉99.90234375元剩余99.90234375元等比级数的前n项和Sn=2-12n-1——最后，此君手中有100元，每天得到100元，花掉100元上述问题是一个等比级数问题，Money=50∑——2n-11n=1∞50+50/2+50/4+50/8+···+50/2n-1+···当大气中14C6产生的速度与衰变速度相等（动态平衡）时，大气中14C6的浓度是一定值。14C6在高空形成以后，很快被氧化成14CO2，并均匀分布在大气圈中（注意，大气中氧很丰富，约占20.95%）。(4)碳循环植物光合作用吸收CO2放出O214C食草动物14C食肉动物14C吃饭喝水吃水果14C大气中的另外一部分14C随CO2溶于水，其中一部分形成含有14C的碳酸岩(例如Ca14CO3)或重碳酸岩（Ca(H14CO3)2），另一部分被海洋生物吸收。14C陆地上的生物死亡以后，或水中的物质沉积以后，都释放出CO2进入大气（注意，其中一部分为14CO2）。这样，随着大气圈、水圈、生物圈中的碳交换，最终使“三圈”中的14C浓度保持着平衡。14C14C(5)14C的自然衰变当生物死亡或碳酸岩沉积之后，如果被迅速埋藏，那么，生物体内或碳酸岩内部的14C与外界的交换便停止下来。其内部的14C浓度随时间按指数规律减少：I=Ioe-λTI——经过时间T后的14C浓度Io——14C的初始浓度（生物死亡时的浓度），规定为100%T——时间（年）e,λ——常数注意：上述衰变过程不受任何外界环境的影响！随着时间的增长，14C的浓度越来越小。050100573010000200003000040000时间/aB.P.放射性碳衰变曲线I=Ioe-λT556814C衰变公式：I=Ioe-λT（1）将（1）式两边同乘以eλT，并同除以I，得到：eλT=IoI已知14C的半衰期为556830年，从而得出常数项为：1λlge=18.5103（年）等式两边取以10为底的对数：λTlge=lgIoI所以，T=1λlgelgIoI常数（2）因此有：T=lg18.5103(年)IoI（3）上式中初始值Io为已知，一般取现今大气中14C的浓度。只要测得样品中的14C浓度I，根据（3）式就可以确定样品的年龄。这时现有的仪器几乎测量不出来，所以，14C方法可以测定的最老年龄为5万年。最近，利用加速器加速14C，可以测定6~7万年的老样品。lg=3,=1000,即样品中的14C浓度减小到原来1/1000。IoIIoI由（3）式可以看出，经过10个半衰期以后（即T=55680年）2.14C测年的假设条件•假定在可测定年龄的时间内（即7万年以来），大气圈中的14CO2浓度为一常数（即等于现在大气层中的14C浓度）。•假定生物死亡或碳酸岩沉积之后，保存于封闭环境，不与外界发生14C交换。思考——如果有交换，结果如何?在现在生活的树木中，12C∶13C∶14C=98.9∶1.1∶1.07×10-10，这个比值称为碳活动性常数。近代核武器爆炸会增加大气中14C的浓度。1963年大量核武器爆炸，使14C∶C增加了90%。工业废气及汽车尾气中的CO2，化石燃料和碳水化合物燃烧排放的CO2，会稀释大气中14C的浓度。尤其1850~1954年的工业革命，化石燃料的燃烧使12C浓度大大增加。地球磁场强度变化，太阳黑子活动，可以改变宇宙射线流，进而改变大气中14C的浓度。3.测定对象•木头及木炭25~60g•泥炭200~500g，一般取1000g•淤泥500~1000g•骨头、骨化石1000g•贝壳、珊瑚等200~300g•无机碳酸盐沉积500g石灰华钟乳石苏达钙结石天然碱•古石灰1000g•象牙50g测定对象•土壤和古土壤500~1000g•陨石标本200g•种子100g•古铁器1000g•毛发编织物100g•其它空气海水地下水土壤水冰雪•谷粒硬果壳细枝草布纸25g兽皮（3）新技术加速器质谱仪（AcceleratorMassSpectrometry，简称AMS）——1977年开始，直接计数14C原子数，而不是计数在衰变过程中产生的少量粒子。优点：•加大了测量范围；•灵敏度的增加使样品用量减少到原来的1/1000。IS——离子源EL——单透镜PA——预加速段ST——导向器SL——缝FC——法拉第杯GL——间隙透镜IM——注入磁铁DM——双注入磁铁BPM——束流抛面仪EQ——静电四极透镜MQ——磁四极透镜AM——分析磁铁BM——偏转磁铁ESD——静电分析器DT——探测器北京大学加速器质谱计装置示意图串列AMS系统——离子源、注入系统、串列加速器、高能分析系统、重离子探测器、数据获取系统EN型串列静电加速器①北京大学的AMS离子源是一台40靶位铯溅射负离子源。②被测样品经制备转换成石墨，装入离子源靶座内。③离子源引出20μA±的12C-离子流。④注入系统对离子源引出的束流进行质量分析。⑤在注入磁铁的两端设有间隙透镜，其间的真空盒对地绝缘。⑥在真空盒上施加周期变化的高压，可以调节通过磁场的离子的能量，从而使碳的不同同位素的离子顺序地交替注入到加速器中去。EN型串列静电加速器DM——双注入磁铁BPM——束流抛面仪EQ——静电四极透镜MQ——磁四极透镜AM——分析磁铁BM——偏转磁铁ESD——静电分析器DT——探测器IS——离子源EL——单透镜PA——预加速段ST——导向器SL——缝FC——法拉第杯GL——间隙透镜IM——注入磁铁北京大学加速器质谱计装置示意图EN型串列静电加速器DM——双注入磁铁BPM——束流抛面仪EQ——静电四极透镜MQ——磁四极透镜AM——分析磁铁BM——偏转磁铁ESD——静电分析器DT——探测器IS——离子源EL——单透镜PA——预加速段ST——导向器SL——缝FC——法拉第杯GL——间隙透镜IM——注入磁铁北京大学加速器质谱计装置示意图北大的AMS加速器为EN型串列静电加速器，其高端电压为6MV。加速器高压头部装有电子剥离器，注入的负离子经剥离后转变为正离子。进行14C测量时，端电压一般选用3MV，此时选择3+电荷态，可以得到较高的剥离效率。EN型串列静电加速器DM——双注入磁铁BPM——束流抛面仪EQ——静电四极透镜MQ——磁四极透镜AM——分析磁铁BM——偏转磁铁ESD——静电分析器DT——探测器IS——离子源EL——单透镜PA——预加速段ST——导向器SL——缝FC——法拉第杯GL——间隙透镜IM——注入磁铁北京大学加速器质谱计装置示意图在高能分析系统中，经过主分析磁铁后，不同同位素的离子束流的路径分开，稳定同位素的离子流进入旁侧法拉第杯，14C离子则继续经过静电分析器后进入探测器。PKUAMS使用的是△E-E气体探测器，探测器输出的粒子能量信号被送入数据获取系统进行处理。14C测量△E-Er双参数谱14C测量双参数谱图中纵坐标为△E能谱的道数，横坐标为Er能谱的道数，黑点为探测到的粒子，小方框为设定的14C窗口，其中的粒子为14C。通过设置14C探测窗口，可以只对14C计数，而排除其它干扰。（4）树轮校正树轮提供了14C含量每年变化的记录——校正放射性年表。利用树轮校正曲线，可以把放射碳年龄校准为1950年前的日历年龄(Cal.)。放射性碳的起算年龄为1950年(如1200B.P.)树木年轮(tree-ring)的环境意义•树木的年轮是树木周