14C測定年代和加速器質(zhì)譜分析課件

四人類文明史的精確考察—14C測定年代WilladLibby美國物理學(xué)家

(1908-1980)1949年成功1960年諾貝爾獎(jiǎng)

1）14C測年設(shè)想誕生

20世紀(jì)40年代利比有了利用放射性半衰期測定古物年代的設(shè)想，二戰(zhàn)被迫中斷。戰(zhàn)后受聘于芝加哥大學(xué)進(jìn)行研究，守口如瓶。1946年圣誕節(jié)晚會(huì)上，走漏消息，引起轟動(dòng)。114C測年的創(chuàng)立2）經(jīng)費(fèi)問題

14C測定年代基礎(chǔ)是核物理，而卻應(yīng)用在考古和地質(zhì)方面。開始探索性研究不易被理解，沒人支持，經(jīng)費(fèi)只能取自其它項(xiàng)目之余。消息傳到了考古界，維竟金基金會(huì)主持人Fejos主動(dòng)提供資金，得以改進(jìn)儀器，使研究繼續(xù)進(jìn)行。3）樣品問題1946年底，同利比一起工作的阿拿德明白了利比的研究目的，在新年假期告訴了他的父親（律師，業(yè)余考古愛好者），消息又傳到了英大都會(huì)博物館，館長Lansing立即將11個(gè)埃及出土已知年代的樣品寄去。4）實(shí)驗(yàn)成功

1949年14C測年方法終獲成功，徹底改變了單靠觀察和經(jīng)驗(yàn)判定古物年代的方法。基本思想：若已知一個(gè)放射核素的半衰期，可以利用核衰變規(guī)律，建立一個(gè)時(shí)鐘測定過去流逝的時(shí)間。2

14C測定年代的原理T1/2=5730年

0.156MeV放射性衰變規(guī)律D=D0e-tt=-(T1/2/0.693)ln(D/D0)利用半衰期定義

舉例：14C樣品過去D0=4.00現(xiàn)在D=3.95

t=-(5730/0.693)ln(3.95/4.00)

104年現(xiàn)在D可測量過去時(shí)間t和活度D0

1)

14C的產(chǎn)生與平衡

n+14N14C+p

14C14N++宇宙射線中子與大氣中的14N原子核反應(yīng)產(chǎn)生放射性14C，平衡后，14C的產(chǎn)生速率（地球表面）：

2.2個(gè)14C原子/cm2

秒

14C/12C=1.1810-12

14CO2+

12CO2混合一體天然C樣品的放射性270Bq/kg3利用14C衰變測年代基本假設(shè)如何知道過去的D02)基本假設(shè)天然C樣品的放射性270Bq/kg，從過去幾萬年前到現(xiàn)在沒有變化，是一個(gè)恒定的。3）方法的建立只要C參加自然界中有生命物體的交換過程和物質(zhì)代謝過程，14C為恒定量保持不變。如果生命結(jié)束，交換過程停止，14C的份額就要減少。份額的減少與經(jīng)歷的時(shí)間有關(guān)。放射性14C方法可以直接確定古老木料皮膚毛發(fā)羊皮紙等的年代。古埃及國王Sesostris三世載尸船艙板的年代為4500年前。四,加速器質(zhì)譜計(jì)-超靈敏質(zhì)譜方法1問題的提出和解決

1）射線計(jì)數(shù)法的局限性靈敏度低，需要樣品量多。對考古樣品，在幾天的測量時(shí)間內(nèi)使測定的年代準(zhǔn)確到100年，需要1-5g純碳或者25-1000g樣品。許多稀世珍寶樣品沒有這樣的量或者不可能用來測定。怎樣減少樣品用量和提高效率？2）解決問題的思考射線計(jì)數(shù)法是通過測定樣品中14C正在發(fā)生衰變的原子核數(shù)目來確定其份額的。實(shí)際上，樣品中還有許多14C原子核還沒有發(fā)生衰變。例如：12000年前的C樣品1g含有1.6251010個(gè)14C原子核

射線計(jì)數(shù)法測量計(jì)數(shù)大約3.75個(gè)/分，若達(dá)到總計(jì)數(shù)104個(gè)需測量40-50小時(shí)。

14C的利用率104/1.6251010=610-7太低了如果能夠直接測量樣品中14C原子核的數(shù)目，而不是發(fā)生衰變核的數(shù)目，探測靈敏度會(huì)大大提高，樣品量就會(huì)減少。能不能直接測量樣品中14C原子核的數(shù)目呢？普通質(zhì)譜計(jì)可以直接鑒別原子核，但靈敏度達(dá)不到，效率很低。3）核物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展提供了可行性答案重離子核物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)在20世紀(jì)60年代取得了3項(xiàng)重大進(jìn)展：離子源技術(shù)可以有效的產(chǎn)生14C的離子加速器能夠有效地加速重離子到較高能量（MeV)

探測器技術(shù)可以直接鑒別核素12C13C14C等70年代中期，人們想起了1938年曾利用回旋加速器將3He

與3H分離而發(fā)現(xiàn)3He的方法，就是直接記錄3He原子核的數(shù)目。由此得到啟發(fā)，結(jié)合上面重離子核物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的重大進(jìn)展，使加速器從核物理實(shí)驗(yàn)專用設(shè)備中解放出來，建立了加速器質(zhì)譜計(jì)，達(dá)到了超靈敏的分析能力。可以說，AMS對低水平或長壽命放射性測量，是一次革命性進(jìn)展，同時(shí)AMS也可以用于超痕量穩(wěn)定元素的分析，在生物、環(huán)境和藥物等方面有廣泛的應(yīng)用。

2

加速器質(zhì)譜計(jì)(AMS)

AcceleratorMassSpectroscope離子源串列靜電加速器分析和開關(guān)磁鐵

探測器靜電分析器注入磁鐵北京大學(xué)加速器質(zhì)譜計(jì)1992建成，1993年投入工作

核素分辨能力3

14C-射線計(jì)數(shù)法與AMS法的比較

現(xiàn)代樣品

6萬年前樣品10萬年前樣品放射性AMS放射性AMS放射性AMS樣品量1克1mg

幾克

2-5mg100mg計(jì)數(shù)/分13.7720

0.058

0.70.24本底1.6幾個(gè)/天

1.6幾個(gè)/天1.6幾個(gè)/天誤差50年25年

1800年

500年2500年所需時(shí)間12小時(shí)15分

4天

2小時(shí)1天4

超靈敏質(zhì)譜方法的應(yīng)用

特點(diǎn)：

1直接測量樣品中被測核素的數(shù)目，放射性的或穩(wěn)定的都可以

2靈敏度高，14C/12C比率可達(dá)到10-15

（超靈敏）

3需樣品量少，速度快，效率高。應(yīng)用范圍擴(kuò)大1可用于斷代的放射性核素增加了

10Be半衰期1.5×106年地質(zhì)年代大陸架海域海底探礦錳結(jié)核?2放射性標(biāo)記元素測量26Al研究神經(jīng)系統(tǒng)等3稀有過程粒子的探測等1）耶蘇裹尸布年代考察（AMS）（83頁）結(jié)果驚人一致：在公元1260-1380年可能性95%

決不會(huì)早于公元1200年100%結(jié)果震驚了世界，與人們傳說不一致耶蘇裹尸布樣品比郵票還小5AMS應(yīng)用舉例1988年4月21日，關(guān)閉了保安系統(tǒng)，大不列顛博物館考古權(quán)威和大主教一起進(jìn)入都靈教堂，從裹尸布上取下3小塊分別裝入標(biāo)有號(hào)碼的金屬瓶子，同時(shí)還有類似的已知年代的物品3種，（1世紀(jì)，11世紀(jì)，14世紀(jì)），都只有編號(hào)沒有任何其他標(biāo)示，分發(fā)給3個(gè)當(dāng)時(shí)最有權(quán)威的AMS實(shí)驗(yàn)室測量。亞利桑那大學(xué)牛津大學(xué)蘇黎世工學(xué)院2）冰人（IceMan）1991年在阿爾卑斯山中發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)代人不同，引起轟動(dòng)。取了骨骼和臀部肌肉20-30mg，用加速器質(zhì)譜計(jì)測量14C的含量的結(jié)果表明冰人生活年代3350-3300BC56%現(xiàn)在認(rèn)為公元前3350-3100年3210-3160BC36%與歷史發(fā)展（銅器時(shí)代）吻合3140-3120BC8%3）我國夏商周斷代工程中華文明5000年歷史，但過去國外承認(rèn)的確切年代是司馬遷史記記載的西周晚期共和元年（公元前841年）。再向前缺少考證存在分歧。1996年啟動(dòng)了國家社會(huì)發(fā)展重大研究項(xiàng)目“夏商周斷代工程”，人文學(xué)科與自然科學(xué)多學(xué)科交叉共同研究，2001年11月9日正式公布了夏商周年表，把我國的歷史記年由公元前841年向前延伸了1200年。夏公元前2070-公元前1600年禹商前期前1600-前1300年湯商后期前1300-前1046年——

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