碳14

更新时间:2022-08-14

碳14是碳元素的一种具放射性的同位素,它是透过宇宙射线撞击空气中的氮原子所产生。碳-14原子核由6个质子和8个中子组成。其半衰期约为5,730±40年,衰变方式为β衰变,碳14原子转变为氮-14原子。1940年,美国科学家马丁·卡门(Martin Kamen)与同事山姆·鲁宾(Sam Ruben)在美国劳伦斯伯克利国家实验室发现碳14 ,而后时任芝加哥大学教授、加州大学伯克利分校化学博士威拉得·利比(Willard Libby)应用碳14发明了碳—14年代测定法并获得1960年诺贝尔化学奖。由于在有机材料中含有碳-14 ,因此根据它可以确定考古学、地质学和水文地质学样本的大致年代,其最大测算不超过6万年(而且没有参照的情况下误差较大)。碳14是 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,即放射性测定年代法 的一种,其他常用的还有钾-法测定,钾-氩法测定,热释光测定等;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。在地球上有99%的碳以碳-12的形式存在,有大约1%的碳以碳-13的形式存在,只有兆分之一(0.0000000001%)是碳-14,存在于大气中,由大气中氮与宇宙射线作用生成,其丰度基本保持不变,是生物圈中碳-14的来源。

基本信息

中文名碳14
外文名Carbon-14
发现时间6397243051288498957
性质7679495528992713228
射线能量156.467keV(100%)
半衰期5730年
生产方式14 N(n,p)14 C
发现人马丁·卡门与同事塞缪尔·鲁宾
天然丰度1.2×10^(-12),1.2ppt

发展简史

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成分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,人们可透过测量一件古物的碳14含量,来估计它的大概年龄。这种方法称之为放射性碳定年法

这个方法估计的大气碳-14含量通过植物年轮(最多可推算到大约10000年前)或者洞穴堆积物(例如钟乳石,最多可推算到大约45000年前)来推算。根据这个推算(更确切的说)对比年轮和洞穴堆积物就可以建立起碳-14的年代变化模型,从而获得其它样本的年龄。

不过,碳-14测年法最大测算时间不超过6万年,而且所测得的年代有颇大的误差。而且它的假定,即大气中的碳-14浓度不会随时间而改变,也与事实有落差。此外,碳-14测定法亦有可能受到诸如火山爆发等自然因素影响,因为在火山喷发时将地下大量气体和物质带到大气中,从而影响碳-14在某区域大气中的含量。所以,若没有其他年代测定方法(如:利用树木的年轮)来检订,单单依赖碳-14的测年数据并不完全可靠。随着现代工业的高速发展和大量化石燃料的应用,古代深藏地下的碳-14被排放到大气中并进入生物循环,放射性碳定年法的结果因此也十分容易受到干扰。

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。由美国科学家马丁·卡门与同事塞缪尔·鲁宾于1940年发现。已故著名考古学家夏鼐先生对碳—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。

2022年4月26日,中国首次国产化碳-14批量生产在中核集团秦山核电启动。

成分结构

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。

二、碳-14标记化合物的应用。

碳-14标记化合物是指用放射性14C取代化合物中它的稳定同位素碳-12,并以碳-14作为标记的放射性标记化合物。它与未标记的相应化合物具有相同的化学与生物学性质,不同的只是它们带有放射性,可以利用放射性探测技术来追踪。

自20世纪40年代,就开始了碳-14标记化合物的研制、生产和应用。由于碳是构成有机物三大重要元素之一,碳-14半衰期长,β期线能量较低,空气中最大射程 22cm,属于低毒核素,所以碳-14标记化合物产品应用范围广。至80年代,国际上以商品形式出售的碳-14标记化合物,包括了氨基酸多肽、蛋白质、糖类、核酸类、类脂类、类固醇类及医学研究用的神经药物、受体、维生素和其他药物等,品种已达近千种,约占所有放射性标记化合物的一半。

应用领域

呼气试验

幽门螺杆菌(Hp)可引起多种胃病,包括胃炎、胃溃疡十二指肠溃疡非溃疡性消化不良胃癌等。因此,根除幽门螺杆菌已经成为现代消化道疾病治疗的重要措施。

幽门螺杆菌可产生高活性的尿素酶。当病人服用碳14标记的尿素后,如患者的胃内存在Hp感染,胃中的尿素酶可将尿素分解为氨和碳14标记的CO2,碳14标记的CO2通过血液经呼气排出,定时收集呼出的气体,通过分析呼气中碳14标记的CO2的含量即可判断患者是否存在幽门螺杆菌感染

相比于传统的胃镜检查,该法简单、高效、准确率高,减轻了病人的身体和精神负担。

标记化合物

碳-14标记化合物广泛应用于化学、生物学、医学领域中,采用放射性标记化合物进行示踪,具有方法简单、易于追踪、准确性和灵敏性高等特点。

测定年代

宇宙射线中的中子与大气中的大量存在的稳定核素氮-14发生N(n,p)C反应能够产生碳-14,而碳-14又会发生半衰期T=5730年的β衰变变成氮-14,由此构建一个核素平衡。碳-14与氧气反应生成的二氧化碳被生物圈接收,活体生物体内的碳-14与碳-12浓度比例是一定【经测定,碳-14的同位素丰度为1.2×10^(-12)】的,只有当生物死亡后,碳循环中断,碳-14逐渐衰变至没有。在化石标本中采样测量碳-14的丰度,与1.2×10^(-12)比较,即可计算出生物生活的年代。多数和铀钍测年对同一批样品交叉使用

比如:一个化石样品含有碳-14的丰度是4.3×10^(-13),则可计算出该化石活体生活的年代距今t=ln(No/N)T/ln2=ln[1.2×10^(-12)÷4.3×10^(-13)]×5730÷ln2≈8483.9861年(N‘=Ne^(-λt))。

测量基含量

放射性碳测年法适用于在工业产品中生物基含量测量,因为产品中包含了一些近代的生物质材料和石化衍生材料的组合。为此开发的标准称为ASTM D6866。

近代的生物质材料(生物基成分)含有碳14,石化衍生材料(来自石油)没有。因此所有的碳14产品来自生物基成分。对于一个包含生物质成分和石化衍生成分的产品,ASTM D6866分析将用碳14含量来计算产品中有多少是来自植物成分,有多少来自石油衍生成分。

例子: 通过ASTM D6866,100%来源石油衍生成分的聚乙烯制作的产品只有0% 的生物基含量,而一个由100%来源于植物的聚乙烯制作的产品将有一个100%的生物基含量结果。

通过ISO / IEC 17025:2005认证的BETA实验室还为全世界的产品制造商、分销商和研究人员提供生物基产品、生物燃料、垃圾衍生燃料和燃烧排放气体(CO2气体)的生物基/可再生碳含量测试。

BETA实验室利用碳-14原理进行天然产品来源测试,如香精、香料、精油、化妆品和补充剂,来识别产品中的化石衍生来源成分。


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