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碳14
具放射性的同位素
碳14是碳元素的一種具放射性的同位素，它是透過宇宙射線撞擊空氣中的氮原子所產生。碳-14原子核由6個質子和8個中子組成。其半衰期約為5,730±40年，衰變方式為β衰變，碳14原子轉變?yōu)?/span>氮-14原子。
1940年，美國科學家馬丁·卡門（Martin Kamen）與同事山姆·魯賓（Sam Ruben）在美國勞倫斯伯克利國家實驗室發(fā)現(xiàn)碳14 ，而后時任芝加哥大學教授、加州大學伯克利分校化學博士威拉得·利比（Willard Libby）應用碳14發(fā)明了碳—14年代測定法并獲得1960年諾貝爾化學獎。由于在有機材料中含有碳-14 ，因此根據(jù)它可以確定考古學、地質學和水文地質學樣本的大致年代，其最大測算不超過6萬年（而且沒有參照的情況下誤差較大）。
碳14是 自然界中碳元素有三種同位素，即穩(wěn)定同位素12C、13C和放射性同位素14C。 14C的半衰期為5730年，14C的應用主要有兩個方面：一是在考古學中測定生物死亡年代，即放射性測定年代法 的一種，其他常用的還有鉀-氬法測定，鉀-氬法測定，熱釋光測定等；二是以14C標記化合物為示蹤劑，探索化學和生命科學中的微觀運動。在地球上有99%的碳以碳-12的形式存在，有大約1%的碳以碳-13的形式存在，只有兆分之一（0.0000000001%）是碳-14，存在于大氣中，由大氣中氮與宇宙射線作用生成，其豐度基本保持不變，是生物圈中碳-14的來源。
發(fā)展簡史
由于其半衰期達5,730年，且碳是有機物的元素之一，我們可以根據(jù)死亡生物體的體內殘余碳-14成分來推斷它的存在年齡。生物在生存的時候，由于需要呼吸，其體內的碳14含量大致不變，生物死去后會停止呼吸，此時體內的碳-14開始減少。由于碳元素在自然界的各個同位素的比例一直都很穩(wěn)定，人們可透過測量一件古物的碳14含量，來估計它的大概年齡。這種方法稱之為放射性碳定年法。
這個方法估計的大氣碳-14含量通過植物年輪（最多可推算到大約10000年前）或者洞穴堆積物（例如鐘乳石，最多可推算到大約45000年前）來推算。根據(jù)這個推算（更確切的說）對比年輪和洞穴堆積物就可以建立起碳-14的年代變化模型，從而獲得其它樣本的年齡。
不過，碳-14測年法最大測算時間不超過6萬年，而且所測得的年代有頗大的誤差。而且它的假定，即大氣中的碳-14濃度不會隨時間而改變，也與事實有落差。此外，碳-14測定法亦有可能受到諸如火山爆發(fā)等自然因素影響，因為在火山噴發(fā)時將地下大量氣體和物質帶到大氣中，從而影響碳-14在某區(qū)域大氣中的含量。所以，若沒有其他年代測定方法（如：利用樹木的年輪）來檢訂，單單依賴碳-14的測年數(shù)據(jù)并不完全可靠。隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展和大量化石燃料的應用，古代深藏地下的碳-14被排放到大氣中并進入生物循環(huán)，放射性碳定年法的結果因此也十分容易受到干擾。
利用宇宙射線產生的放射性同位素碳—14來測定含碳物質的年齡，就叫碳—14測年。由美國科學家馬丁·卡門與同事塞繆爾·魯賓于1940年發(fā)現(xiàn)。已故著名考古學家夏鼐先生對碳—14測定考古年代的作用給了極高的評價：“由于碳—14測定年代法的采用，使不同地區(qū)的各種新石器文化有了時間關系的框架，使中國的新石器考古學因為有了確切的年代序列而進入了一個新時期。
那么，碳—14測年法是如何測定古代遺存的年齡呢？原來，宇宙射線在大氣中能夠產生放射性碳—14，并能與氧結合成二氧化碳形后進入所有活組織，先為植物吸收，后為動物納入。只要植物或動物生存著，它們就會持續(xù)不斷地吸收碳—14，在機體內保持一定的水平。而當有機體死亡后，即會停止呼吸碳—14，其組織內的碳—14便以5730年的半衰期開始衰變并逐漸消失。對于任何含碳物質，只要測定剩下的放射性碳—14的含量，就可推斷其年代。
2022年4月26日，中國首次國產化碳-14批量生產在中核集團秦山核電啟動。
成分結構
碳—14測年法分為常規(guī)碳—14測年法和加速器質譜碳—14測年法兩種。當時，Libby發(fā)明的就是常規(guī)碳—14測年法，1950年以來，這種方法的技術與應用在全球有了顯著進展，但它的局限性也很明顯，即必須使用大量的樣品和較長的測量時間。于是，加速器質譜碳—14測年技術發(fā)展起來了。
加速器質譜碳—14測年法具有明顯的獨特優(yōu)點。一是樣品用量少，只需1～5毫克樣品就可以了，如一小片織物、骨屑、古陶瓷器表面或氣孔中的微量碳粉都可測量；而常規(guī)碳—14測年法則需1～5克樣品，相差3個數(shù)量級。二是靈敏度高，其測量同位素比值的靈敏度可達10-15至10-16；而常規(guī)碳—14測年法則與之相差5～7個數(shù)量級。三是測量時間短，測量現(xiàn)代碳若要達到1%的精度，只需10～20分鐘；而常規(guī)碳—14測年法卻需12～20小時。
正是由于加速器質譜碳—14測年法具有上述優(yōu)點，自其問世以來，一直為考古學家、古人類學家和地質學家所重視，并得到了廣泛的應用。可以說，對測定50000年以內的文物樣品，加速器質譜碳—14測年法是測定精度最高的一種。
二、碳-14標記化合物的應用。
碳-14標記化合物是指用放射性14C取代化合物中它的穩(wěn)定同位素碳-12，并以碳-14作為標記的放射性標記化合物。它與未標記的相應化合物具有相同的化學與生物學性質，不同的只是它們帶有放射性，可以利用放射性探測技術來追蹤。
應用領域
標記化合物
碳14
測定年代
宇宙射線中的中子與大氣中的大量存在的穩(wěn)定核素氮-14發(fā)生N(n,p)C反應能夠產生碳-14，而碳-14又會發(fā)生半衰期T=5730年的β衰變變成氮-14，由此構建一個核素平衡。碳-14與氧氣反應生成的二氧化碳被生物圈接收，活體生物體內的碳-14與碳-12濃度比例是一定【經測定，碳-14的同位素豐度為1.2×10^(-12)】的，只有當生物死亡后，碳循環(huán)中斷，碳-14逐漸衰變至沒有。在化石標本中采樣測量碳-14的豐度，與1.2×10^(-12)比較，即可計算出生物生活的年代。多數(shù)和鈾釷測年對同一批樣品交叉使用
比如：一個化石樣品含有碳-14的豐度是4.3×10^(-13)，則可計算出該化石活體生活的年代距今t=ln(No/N)T/ln2=ln[1.2×10^(-12)÷4.3×10^(-13)]×5730÷ln2≈8483.9861年（N‘=Ne^(-λt)）。
測量基含量
放射性碳測年法適用于在工業(yè)產品中生物基含量測量，因為產品中包含了一些近代的生物質材料和石化衍生材料的組合。為此開發(fā)的標準稱為ASTM D6866。
近代的生物質材料(生物基成分)含有碳14,石化衍生材料(來自石油)沒有。因此所有的碳14產品來自生物基成分。對于一個包含生物質成分和石化衍生成分的產品，ASTM D6866分析將用碳14含量來計算產品中有多少是來自植物成分，有多少來自石油衍生成分。
例子: 通過ASTM D6866，100%來源石油衍生成分的聚乙烯制作的產品只有0% 的生物基含量，而一個由100%來源于植物的聚乙烯制作的產品將有一個100%的生物基含量結果。
通過ISO / IEC 17025:2005認證的BETA實驗室還為全世界的產品制造商、分銷商和研究人員提供生物基產品、生物燃料、垃圾衍生燃料和燃燒排放氣體（CO2氣體）的生物基/可再生碳含量測試。
參考資料
[1]
我國首次啟動碳-14批量化生產 · 中國經濟網[引用日期2022-04-27]
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