碳14应用实例
生活中我们见面总不免要问对方:“你有多大?”同样考古学家新挖到一个遗址也需要问:“你有多大?”但不是每个遗址都留有文字来告诉考古学家问题的答案,学者们往往要借助一种来自自然科学的技术,这就是我今天要向大家介绍的碳十四测年技术。
(一)碳十四测年技术的起源和发展为什么不建议年轻人做碳14
公元1936年,一个名叫卡门的科学家发现并分离出一种分子,它是碳的一种同位素,分子量是十四,因此被称为碳十四。三年后,科学家柯夫经过研究,指出宇宙射线和大气作用后,射线中子的最终产物是碳十四,并计算出了其在大自然中的产生率。
这些成果引起了年青科学家利比的高度重视。利比是个爱好广泛的人,他一方面是研究放射现象的自然科学家,另一方面又喜欢诸如考古、历史之类的社会科学。利比敏锐的感觉到,这也许是解决考古学年代测定的一个突破口。但他还没开始这方面的研究,第二次世界大战爆发了,利比奉招来到哥伦比亚大学,参与的研发工作。二战结束后,利比出任芝加哥大学教授。有了自己的时间,他开始将心中的理想付诸实施。起初他对自己的研究秘而不宣,想给
考古界带来个惊喜,但由于没有经费,他不得不于1946年圣诞节将自己的研究目的透露出来。消息传到考古界,立即引起维金基金会的重视,为利比提供了科研资金。在这笔资金的支持和众多考古学家的鼓励下,1949年利比终于成功的创建了碳十四测年的常规方法。
为了检验测年方法的准确性,专家们进行了严密的盲测实验。他们来许多已知年代的含碳标本,放在只有标号的盒子里,让利比进行测年,然后把结果与实际年代进行比对,所有的结果都在可接受的误差范围内。
经过重重考验,碳十四常规测年法被考古学家和地质学家所接受,成为确定旧石器晚期以来人类历史年代的有力工具。许多长久以来没有解决的难题迎刃而解。我们知道,考古学与历史学的重要的结合点就在于确定遗址的年代。而碳十四测年技术则为这个结合点到了一个突破口。这是考古学的一个重要革命性的技术。
尽管碳十四测年常规技术为考古学的发展发挥了重要作用,但从它诞生之日起,这项技术的不足之处也令考古学家感到不便。其一是它需要的标本量比较大,并不是所有的遗址都能提供这么多的标本,当然也不能用它来对某些需要测年的文物来进行测年。再就是它的精度还是不够,年代越远的标本其误差也就越大,有时竟达到几百年。这对于研究年代学的学者来
说,不能不说是一种遗憾。于是又出现了木轮年代校正曲线,经过科学家多年的努力,用这两者结合起来可以将误差缩小到几年甚至一两年!
随着核物理学的发展,一种新的测定碳十四的方法面世了,这就是用加速仪质谱学进行碳十四的分析。英文缩写为AMS。AMS具备了常规法的一切优点,同时又有许多优势。主要就是我在上文中讲到的,常规测年法精度不够,而AMS的灵敏度与精度比常规法要好得多.但更吸引专家的是,AMS所需的标本量极少,只需几毫克,几乎可以实现无损伤检测.于是便有了著名的都灵裹尸布案.关于这个故事,本人将在下一章作详细讲解.
碳十四测年的原理
我们知道,空气的主要成份是氮气和氧气.在宇宙射线的作用下,组成氮气的氮原子发生了变化,原子核由原来的七个质子变成了六个,成了碳元素的一种同位素,它的分子量是十四,因此叫碳十四.碳十四的原子核并不稳定,它放射出中子,最终又变回氮原子.这个变化是有一定的速度的,它每过5730年减少一半,这个时间也就是碳十四的半衰期.尽管如此,碳十四的化学性质还是与普通的碳十二完全一样,它与氧气反反应生成了二氧化碳,与碳十二的二氧化碳混合在了一起.科学家经过计算,认为这个混合比例,基本上是一个恒定的值,例年的变化不是太大.植物在光合
作用时,将二氧化碳吸入合成有机物,碳十四二氧化碳也按比例进入植物体内.在整个自然界的食物链上,碳一层层的流动着,碳十四也跟着流动.随着新陈代谢,生物体内的碳十四含量也基本与大气保持一致.
但当生物死亡后,情况发生了变化,新陈代谢停止了.于是,尸体内的碳十四便以其特有的衰变规律进行衰变.只要我们测定其中碳十四的含量,就能知道这个生物是什么时候死的.比如,我们在一个遗址中发现一块人骨,只要测出其中所含的碳十四的量,就能算出这个人的死亡时间,进一步知道这个遗址的大致年代。这就是碳十四测年的技术原理.
有一点必须指出,过去大气中的碳十四放射性水平只是变化相对不大,但并不是真正恒定的。利用统一的现代标准计算出来的年代并不是日历年代,只能称为碳十四年代。为了解决这个矛盾,学者们又出了一个辅助的方法,就是通过树轮年代校正曲线来进行校正。树木春长秋止,在树干截面上形成疏密相间的年轮,年轮的宽窄是由当年的气候等因素决定的,科学家根据年轮的宽狭序列便可知道其生长的年代。他们首先建立起近几万年的树轮序列,然后测定每一个年轮的碳十四含量,作出了一个曲线,就是树轮年代曲线图。用它校正,可将误差缩减到几年。
都灵裹尸布奇案
耶稣的故事大家都不陌生吧?但到了文艺复兴后,人们大都认为那不过是神话。但在都灵天主教堂却长期保存着一块据称是耶稣裹尸布的圣物。围绕着这块布,科学家在争论,老百姓在谈论,就连教会内部也是议论纷纷。它本身的经历就很有传奇彩,多次易手,多次险些被毁,而对于它的真伪,更是众说纷纭。1898年,都灵大主教曾允许科学家进行直接实物考察,上面显示出有十分逼真精细的人体影像,诸多细节与《圣经》上的记载吻合。但这并没有使争论平息。1949年,碳十四常规测年法问世,有人便提出来要为裹尸布测年,但这种方法需要太多的样本,几乎要把整个裹尸布都搭进去,教会当然不会同意。
碳十四AMS法出现后,由于它只需几毫克样本,不会对裹尸布造成损害,因此科学家希望能用这个方法给裹尸测年。经过十年艰苦谈判,教会终于同意了。
公元1988年4月21日,激动人心的时刻来到了。不列颠博物馆的考古专家和大主教一块来到都灵教堂,他们关闭了严密的保安系统,从圣器中取出这块有争议的尸布,大主教亲自从上面剪下一块长七厘米、宽一厘米的布条,然后分成三小块,分别装在三个标有号码的金属盒中,送到三家权威检测实验室进行严格的盲测。结果很快出来了,三家实验室的独立测量结
果非常一致,这块裹尸布的年代为公元1260至1380年之间。裹尸布是中世纪的产物,不可能是耶稣时代的东西。