¹⁴C测年的原理及检测

碳十四（¹⁴C）测年方法问世近80年来，通过不断引入新技术和应用实践而日臻完善，精度也逐步提高，对考古学、人类学、地质学、海洋科学均有重要意义，尤其近年来¹⁴C测年在良渚遗址、三星堆“祭祀坑”等考古学中的成功应用，使得¹⁴C测年再次出圈。除此之外，¹⁴C测年在地质学和海洋科学中，也是晚更新世以来第四纪沉积物测年的首选方法。

一、检测原理及测年范围

1.1 ¹⁴C测年原理

碳（C）是存在于所有生物体中的基本元素，有三种自然产生的同位素：¹²C、¹³C 和 ¹⁴C。¹²C和¹³C 是稳定的同位素，而¹⁴C是碳的放射性同位素，它包含六个质子和八个中子，这些额外的中子会使得原子结构不稳定（即放射性），这也是碳十四能够被用来测年的主要原因。

图1 碳同位素原子结构

¹⁴C主要源自大气层上部宇宙射线与大气中的氮原子的核反应，天然的¹⁴C在空气中迅速被氧化成二氧化碳进入全球碳循环（图2），固定¹⁴C的一种形式是植物通过光合作用和动物对食物中碳的吸收进入生物圈，第二种形式是溶解的二氧化碳（溶解的有机碳-DOC）和溶解的无机碳（DIC）的进入海洋，这样水圈和生物圈中都含有宇宙辐射成因的¹⁴C。生物在活着时由于新陈代谢作用使活着有机体内¹⁴C浓度与大气中的¹⁴C浓度保持大致平衡，一旦生物体死亡，来自大气或海洋的 ¹⁴C交换就会停止，如果没有新的 ¹⁴C补充，生物体内的¹⁴C含量就开始以恒定的速度减少，这种恒定的衰变率是指数衰变，半衰期约5700年，且不受气候或环境的影响。根据样品现存的¹⁴C含量，可以计算生物死亡年龄，从而确定所采样品的年代。

图2全球碳循环中的碳十四的产生、分布、衰变

1.2测年范围

目前大多研究使用的¹⁴C半衰期是5730±40年的“剑桥半衰期”，这意味着在 5730 年后，特定样品内的¹⁴C原子的数量将减少到最初存在数量的一半，从而也决定了测年的上限是4万到5.5万年，因为经过8-10个半衰期后，剩余极少的¹⁴C很难被仪器检测到。

图3 碳十四衰变曲线（灰色数字代表衰变次数）

样品¹⁴C年代是测定样品的¹⁴C活动性与现代碳标准的¹⁴C活动性的比值计算出来的。根据指数衰变曲线（图3）和公式（Ⅰ）、（Ⅱ），可以计算出自生物体死亡或沉积的那一刻起所经过的时间：

其中A是测定时的¹⁴C活性。 A0是死亡或沉积时的初始¹⁴C活性，这与大气的¹⁴C活性直接相关。λ是衰变常数，与¹⁴C的半衰期相关。

二、测年对象

根据¹⁴C测年在考古学、地质学、海洋科学等领域中的应用，按检测样品的可靠性和精度，可以把适用于¹⁴C测年的样品大致分为以下三类：

（1）最适宜的样品：植物果实、种子；木头、木炭；泥炭、淤泥、古土壤、骨头、贝壳、珊瑚

（2）可作测年样品：钙质结核、钙板、苏打和天然碱等无机碳酸盐沉积物；地下水、海水和空气含有的¹⁴C

（3）可作试验性测年的样品：孢粉；海洋、湖泊、三角洲等环境下形成的有机质或生物骨骸；河流、冲积、洪积等环境下形成的有机质

不同类型样品的样品量要求不同，如果对取样存在疑问或样品量太少，可在寄样前联系我们。送样时大块样品可以直接放入自封袋，袋子不会对样品造成污染；对于小样品或细小颗粒的样品应先用铝箔纸包装好然后放入自封袋，随后贴好标签。（注意: 每次包装处理一个样品，每个样品需要完全包装完才能开始下个样品的包装，避免样品包装过程中引起交叉污染）

三、实验前处理及仪器

3.1前处理

前处理的目的是有效地去除含碳污染物，并分离最稳定不易被破坏的内源性碳成分，同时也需避免在实验室前处理期间引入现代碳污染。这是因为现代碳对测年样品的碳十四年龄有巨大的影响，特别是对年龄大于4万年的古老样品。

预处理包括物理准备和化学预处理。物理准备主要是确定样品的种类及保存状态，去除肉眼可见的污染物（如植物根系），有些类型的样品可能需要进行机械处理（如磨碎、切割），为后续化学前处理做准备。化学前处理主要是为了进行有机物的溶解、样品中腐植酸的去除、测年物质的提取。不同的实验室制定了针对不同样品的化学方案，但都是为了去除样品中的污染物，最常见的化学方案是酸、碱、酸提取。

3.2检测仪器

经过前处理去除含碳污染物并分离出碳成分，¹⁴C年龄的测量和计算都需要通过确定¹⁴C值。有两种方法来确定，即超低本底液体闪烁谱仪和加速器质谱仪（AMS：Accelerator Mass Spectrometry）。前者是基于对样品的β活性的测量，即每克总碳中β颗粒的释放率。这种检测的工作原理是检测在¹⁴C衰变过程中β粒子释放的数量。而AMS系统是通过根据碳同位素不同的质量来分离样品中的¹²C、¹³C和¹⁴C粒子来直接检测。

图4 超低本底液体闪烁谱仪（左图）加速器质谱仪（右图）