碳14 应用实例

2025-01-24 21:47:38

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回答1：

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

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，参与原子弹的研发工作。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。他们找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找到了一个突破口。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，学者们又找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色彩，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。

这件事本身固然很有意义，同时，也使碳十四测年技术名声大振。

中国的碳十四测年工作最早是由仇士华先生开展的，成绩斐然，曲折也颇多.
1949年3月，当美国科学家利比研究碳十四测年技术成功并发表成果时，中国的大地上却正激战正酣，国共双方的这场内战吸引了几乎所有人的目光，对于这项考古学革命性的成果，没有人去注意它。

新中国成立后，中国各项事业都开始启动。1955年，当时的中国科学院考古研究所副所长夏鼐首次关注到这项技术，并把它向中国考古界作了介绍，马上引起考古界强烈反响。当时，中国大地上考古发掘已取得许多重大发现，尤其是许多史前遗迹重见天日，但对于它们的年代却又说法不一，如果我们能够掌握这门技术，无疑会给考古界一个登上新高峰的机会。

但是当时的中国政治风潮叠起，考古学家直到1959年才见到曙光。在夏鼐同志的领导下，中科院物理研究所的年轻物理学家仇士华、蔡莲珍夫妇被调到考古所，中国第一个碳十四实验室正式筹建。

仇士华，1932年生于江苏，他自小便酷爱物理学，终于在1952年考入浙江大学物理系，一年后国家进行高校院系调整，浙大物理系被并入复旦大学，仇士华也随系来到上海，成为复旦大学物理系的学生。1955年毕业，分配到中国科学院物理研究所工作。

当时的中国科学院物理研究所其实是隐蔽的核物理研究所，是不可对外宣传的机密单位。要进入这样的单位，除了专业知识必须过硬外，还必须通过进乎苛刻的政治审查。当仇先生与他后来的妻子蔡莲珍通过重重考验进入该所时，二人心中升起一种由衷的自豪。他们决心为祖国的核物理事业奉献出自己的青春才华。

谁知天有不测风云，1957年，全国性的“反右”运动开始了。心直口快的仇士华夫妇被打成“右派”，不得不离开心爱的工作岗位，下放到农村劳动改造。这时中科院考古所开始进行碳十四实验室的筹建，但考古所自己却没有核物理学方面的人材，不得不向物理所求援，时任牧师所放射化学研究室主任的杨承宗向夏鼐推荐了正在蒙难的仇士华夫妇，这时，由于国家正在进行卫星研究，大量的技术工作急需解决，经反复研究，有关方面终于批准将原物理所的“右派”们包括仇氏夫妇召回北京。两月后，即1959年1月，经考古所与物理所协商，中科院组织部批准，仇士华与夫人蔡莲珍戴着右派帽子来到考古所进行二次创业。

面对全新的环境，仇士华兴奋不已，但困难是他始料未及的。他们唯一的资料就是利比先生的《放射性碳素测定年代》原著，没有任何现成的仪器，没有任何经验。仇士华是个越困难越大越要奋斗的人，他想，技术是人创造的，自己的处境总比利比要强，通过研究资料，他从零开始，一步一个脚印，在有关领导的关怀下，经过四年的艰苦奋斗，终于完成了全部设备的配装工作，后又用了三年调试和改进，1965年中国自己的碳十四实验室终于诞生了。

就在仇士华紧张地进行样品盲测以通过专家验收时，上海的姚文元发表了著名的《评新编历史剧〈海瑞罢官〉》，一年后，文化大革命爆发了。老右派仇士华被再次打倒，被发配到明港的一座军营。这里，仇士华遭遇到极为残酷的折磨。直到1971年，形势才有所好转。时任中科院院长的郭沫若以“出国参展文物没有具体年代”为由，请求调回碳十四实验室的人员，以便尽快测出年代。周恩来亲自做出批复，仇士华、蔡莲珍等人终于摆脱了厄运，回到自己的工作岗位。然而，实验室的仪器都被造反派破坏了，他们不等不靠，经过艰苦努力，终于修复设备，投入紧张的测年当中。十一届三中全会后，仇士华和蔡莲珍都被平反。再之后，实验室在仇士华的领导下，取得了许多令人震奋的硕果。

比如，北京周口店出土的“山顶洞人”过去一直认为距今十万左右，经碳十四测年，为一万九千年。再比如早期商城郑州商城和偃师商城，专家们对它们的年代谁先谁后，打了多年口水战，后经测年，发现这两个商城的年代相差在五十年内，基本上是同时代的产物。

仇士华他们用的还是常规法测年，以当时中国的技术和资金实力，要想短期内建立起AMS加速器质谱仪，还是件不可能的事。但幸运降临了。由于英国收缩财政支出，著名的牛津大学也被减少资金投入。大学的一个加速器被迫关闭。经过研究，校方准备将此设备无偿赠送给某个第三世界国家。这时，中国北大副校长陈佳洱来到英国，听到这个消息，马上与有关负责人联系，把这套设备争取过来。牛津大学提出要求，必须把这套设备充分利用，为科学作出贡献。

专家们经过认真研究，决定将这套设备加装成加速器质谱仪，并把重点放在考古、地质和生命科学领域。经过五年的努力，建成了中国第一座AMS实验室。

夏商周断代工程启动后，为了把实验数据做好，国家又投入巨资，购入最先进的设备，把它的技术水平提高到世界先进水平。

回答2：

先秦土墩墓被认为是吴越文化的特征之一,这批墓葬的年代跨度从夏商、西周至春秋时期,C14测年在距今4500-2500年间,其中的西周至春秋的墓葬居多,因此填补了福建地区考古学时代序列中夏商周时期的缺环,学术意义极为重要。
我国先秦土墩墓被认为是吴越文化的特征之一,福建地区此前从未发现过土墩墓。此次对浦城县仙阳镇管九村土墩墓进行的考古发掘,填补了这一空白。共发现土墩墓30多座,出土陶器、原始青瓷器、青铜器、玉器等共计200多件。墓葬中出土的72件青铜器,器形有剑、戈、矛、箭镞、刮刀、锛、尊、盘、杯等,这是福建地区一次性出土青铜器最多的考古发现。值得一提的是,其中10件造型精美的越式青铜剑,在全国首屈一指。

此次蒲城县管九村发现的30余座土墩墓,墓葬中出土了一大批相对完整的黑衣陶、(原始)青瓷器、印纹硬陶器组合,也是福建省一次性发现数量最多的青瓷器组群。此外,出土的众多越式青铜器,特别是兵器的形制对先秦时期越族青铜文化的研究有着重要的意义,也对福建地区先秦时期社会历史研究有着极为重要的学术价值。而夏商时期的黑衣陶为主的土墩墓则对南方土墩墓起源的研究有着重要的意义,填补了这一个领域的空白。这批夏商、西周至春秋的土墩墓以平地掩埋发展至浅坑并向深坑过渡,反映了西周至春秋这两个历史阶段土墩墓发展演变的脉络,对研究土墩墓的发展演变有着重要意义。

不仅如此,这批墓葬的年代跨度从夏商、西周至春秋时期,C14测年在距今4500-2500年间,其中的西周至春秋的墓葬居多,因此填补了福建地区考古学时代序列中夏商周时期的缺环,学术意义极为重要。

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