炭十四為何可用顯示年代?

Question

炭十四為何可用顯示年代?

是甚麼物理或化學特性和原因呢?

Answer 1

碳-14測試法是考古學家用來鑑定一些源自生命體的古物的一個相當可靠方法，它的準繩度大約可達五萬多年之久遠。主要用來對一些物體如骨頭，布料，木料，植物纖維等等作年份的鑑定。





碳-14是什麼及如何形成的呢？

宇宙射線(Cosmic Rays)每天都大量地從太空進入地球的大氣中。當一個人或任何生物體在戶外活動時，他或它平均每小時都會受到超過五十萬次的宇宙射線的衝擊。在原子物理學中我們得知當一束宇宙射線在大氣中撞擊到一粒原子時，它會產生一束次射線(secondary cosmic ray)並以充滿能量的中子形式存在。該束充滿能量的中子次射線再度與大氣中的氮原子(nitrogen atoms)碰撞時，一個原本是７粒質子，７粒中子的氮-14就會變成一個有６粒質子和８粒中子的碳-14及一個１粒質子沒有中子的氫原子了。而這碳-14是帶有微量的輻射，它的半衰期是5,730年。〔註：宇宙中所有含有輻射的物質中每粒原子的輻射量是會隨著時間而漸漸衰竭分解的。半衰期是用來表示該含輻射物質中帶有輻射量的原子總數衰竭分解至原來的一半所需要的時間〕



在生命體中的碳-14

由宇宙射線而產生的碳-14原子在大氣中與氧原子結合而形成了二氧化碳。這些二氧化碳在光合作用中被植物吸收了來製造它們所需的養分，在這個過程中碳-14就被吸收至植物的纖維中而形成了它的一部份了。在整個生態環境中的食物鏈裡，動物與人類皆會以植物作食糧而無可避免的間接吸入含有輻射的碳-14了。科學家發現在地球上任何一處地方及在任何一段時期中無論在空氣中抑或是在任何生命體裡普通的碳-12與帶有輻射的碳-14的比率都幾乎是恆定不變，大約是每一百億粒碳-12原子就有一粒碳-14原子。雖然，前面曾說過每一種輻射物質都會隨著時間而衰竭，但科學家亦發現在生命體裡衰竭了的碳-14是以一個恆定速率由新生的碳-14所補充並由各種生命體不停的吸收著。故此，在我們身體內所的含碳-14與各種動植物中也都是同一個百分率。至此相信有部份聰明的HAM友已經猜到科學家到底是如何以碳-14來測定一個木乃伊的年份來的了。



用碳-14來鑑定一件古物

不錯！當一個生命體死亡後，他或它就會停止再吸收碳-14了。當然，在那個生命體死亡時的一刻，它內裡的碳-12與碳-14的比率仍然是與其他的生命體所含的比率是一樣，但由於碳-14的含輻射原子是會衰竭而該生命體卻不會再攝取新的碳-14。即是說，該生命體死亡時所含的碳-14就會以一個5,730年的半衰期慢慢分解(disintegrate)落去而原有的碳-12則因為在穩定態下而保持不變。於是乎，用靈敏的輻射檢測儀器測出該古物中碳-14的含量然後算出它和該古物中的碳-12的比率來，再與現今中任何一個未死的生命體中所含碳-12和碳-14的比率來比較一下，自然就可得到一個相當準確的年份差別來了。



而用碳-14來計算一件古物的年份的方程式也並不太過複雜，就是 …



t＝[ln (Nf/No) / (-0.693)] x T(1/2)



程式中 ln 就是自然對數 (natural logarithm)

程式中 Nf/No 就是古物中的碳-14與現今仍然在生的生命體中的碳-14之間的百分比率

而 T(1/2) 就是碳-14的半衰期，即5,730年了。



假設經過測試後一個木乃伊中所含的碳-14是一個活生物所含的碳-14的百分之十，那麼這個木乃伊的年份大約就是



t＝[ln (10％) / (-0.693)] x 5,730 年

t＝[ln (0.10) / (-0.693)] x 5,730 年

t＝[(-2.303) / (-0.693)] x 5,730 年

t＝[ 3.323 ] x 5,730 年

t＝19,040.79年









由於碳-14經過一次的半衰期後，所剩餘的碳-14與其分解後形成的氮-14的比率就是１：１，再經第二次半衰期後，比率下趺至１：３，如是者再經第三次半衰期就變成１：７一路直至經過第十次的半衰期後，比率將會低趺至１：１０２３，這個低比率應用到公式中的百分比率中就變成低於０．１％，這就超出了百分比率的可容忍誤差值，於是最大可用的半衰期範圍是十個半衰期。由於碳-14的半衰期是5,730年，所以用這個方法所能準確測出的年份最多只能去到大約是55,000年至60,000年之間左右。然而，除了碳-14這個同位素(isotope)之外，這個原理也同樣適用於其他帶有輻射的同位素的。鉀-40就是另一個也存在於我們體內的同位素，它的半衰期達到十三億年。其他可用於這個用途的同位素還包括鈾-235(半衰期=七億一千萬年)，鈾-238(半衰期=四十五億年)……等等。下表列出各類可用作年份鑑定用的輻射同位素的半衰期。



母同位素 新生代同位素 半衰期(年）

Carbon-14 Nitrogen-14 5,730

Uranium-235 Lead-207 710,000,000

Potassium-40 Argon-40 1,300,000,000

Uranium-238 Lead-206 4,500,000,000

Thorium-232 Lead-208 15,000,000,000

Rubidium-87 Strontium-87 47,000,000,000







可否用碳-14來鑑定一切的古物呢？





答案是"不可以"！　對於一些並不從大氣中吸取碳的生命體來說，例如水中的生物，它們所攝取的碳主要來自碳酸石溶解在水中的碳。於是以海產為主要食糧的生物，這個方法就不能應用了。



另外，年份太過久遠的亦因為上述所說明的誤差值太大而不準確。所以如果你聽到有人說用碳-14測出一件古物的年份是百多萬年前的話，那一定是一個笑話來了！除非那是用其他同位素如鉀-40，鈾-235．．．等等則另作別論。



油漆材料也是另一個不能以碳-14來測定年份的項目。因為油漆的原材料主要來自石油產品，而一切的石油都是遠古時代已形成，在其中的碳-14已衰竭分解到太低的水平，不能再作測試。



化石亦是另一項不能應用的項目之一。主要基於以下三個因由：第一，它們的年份太過久遠。第二，它們甚少仍存有可偵測到的的輻射性碳原子。第三，處理化石的出土過程中，為了要去除粘附著的泥土及雜質，一般都會把化石浸在一些碳氫化合的溶劑之中而大舉破壞了原有的碳原子數量的準確性。



用不同的輻射同位素來作年份檢測可提高它的準確性。可惜，這個方法(包括碳-14在內)在將來就會不再可行了。任何在１９４０年以後死亡的生命體都將會難以用這個方法測出它的死亡年份了，原因就是１９４０年開始已出現了大量的原子彈，核子彈與及核電廠等等不平均的輻射原子充斥大氣之中從而影響了生命體在生時所攝取的碳-14及其他同位素的恆定量並進而影響它的準確性。

Answer 2

碳-14測試法是考古學家用來鑑定一些源自生命體的古物的一個相當可靠方法，它的準繩度大約可達五萬多年之久遠。主要用來對一些物體如骨頭，布料，木料，植物纖維等等作年份的鑑定。