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14C年代测定原理及其在考古中的应用

碳元素共有8种同位素，9C、10C、11C、15C、16C是人工核反应的产物，半衰期很短，

不存在于自然界中。自然界中存在着碳的3种主要同位素：12C、13C和14C，其中12C、13C

都是稳定同位素，只有14C具有放射性，故称放射性碳。利用14C同位素放射性衰变规律进

行测年技术称为14C年代测定技术，也称放射性碳定年法。

114C年代测定技术的产生

1933年，库利(F.N.D.Kurie)等人发现，N原子核(14N)在快中子轰击下，云雾室中出现

了一条又长又细的反冲粒子径迹，后来有人用慢中子轰击N核得到了同样的结果，分析和计

算证明，只有带正电荷的质子，才能在云雾室中形成细长的粒子径迹。因此，他们认为，这

是快中子与14N相互作用生成14C后放出来的一个多余质子。1940年，科夫(S.A.Korff)发

现，宇宙射线在高空大气圈中会产生中子，并首先研究了地球大气圈上形成14C的物理条件。

当时，美国芝加哥大学教授利比(W.F.Libby)和科夫刚好研制成功一种探测中子的计数器，

他们把它放置在气球上，如实地记录大气圈内各高度层的高能宇宙产生的中子强度。实验结

果证明：中子计数率随高度增加，到距地面15km处，中子强度达到最大值。因此，在大气

圈顶部，宇宙射线轰击空气时产生大量快、慢中子，这些中子轰击占空气80%的氮原子核后，

同样产生放射性14C。14C与氧结合生成14CO2，在与大气中氧气混合后参加自然界碳的交

换循环运动。植物通过光合作用与大气中的二氧化碳进行交换，与大气中14C处于平衡状态。

动物通过食用植物体内吸入14C；动物通过排泄、死亡，植物腐烂、沉积，进入表层土壤而

使14C进入土壤，大气与海面接触，二氧化碳又与海水中溶解的碳酸盐和二氧化碳进行交换，

因此，海水、海生物及海底沉积物中都含有14C。由于碳在自然界的交换循环很快，所以，

处于与大气相互交换的各种物质在各地的14C水平基本是一致的。这一点已由利比富集从阴

沟臭水中收集的沼气中的14C，在屏蔽式技术器内做放射性测定得到证实。1949年，利比和

阿诺德(J.R.Arnold)通过分析一套已知年龄的考古标本，证明用14C方法测年龄是可行的。

利比首先提出了用14C测定古代遗址年龄的方法，并因创立14C年代测定技术而荣获1960

年的诺贝尔化学奖。

214C年代测定技术的原理

14C年代测定技术的基本原理是根据样品中的14C原子衰变率计算样品的年代。地球上

所有生物都参与同二氧化碳的交换，都存在14C，在占空气总体积万分之三的CO2中，与氧

结合的碳元素的12C、13C、14C3种同位素所占的份额分别是98.9%、1.1%，其中14C的相

对含量仅是100亿分之一。然而正是这种含量极微的14C所特有的放射性衰变的规律，在我

们对含碳物质的年代测定中发挥着神奇的作用。各类植物在生命过程中要不断地同大气交

换，动物活着不断吸收植物中的14C，衰变掉的14C能不断地得到补充。而一旦停止了交换，

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(如植物被砍伐、动物死亡、海洋中的碳酸盐沉积等)，其14C再也得不到补充，样本中的

14C将按指数规律衰减：I=IOe-λt

式中，I为停止与二氧化碳交换t年后，标本中的14C比度；IO为大气中14C比度；t

为标本与大气停止交换的年数；λ为14C的衰变常数。测得空气中的14C度和标本出土时