14C測定年代和加速器質譜分析課件

四人類文明史的精確考察—14C測定年代WilladLibby美國物理學家

(1908-1980)1949年成功1960年諾貝爾獎

1）14C測年設想誕生

20世紀40年代利比有了利用放射性半衰期測定古物年代的設想，二戰(zhàn)被迫中斷。戰(zhàn)后受聘于芝加哥大學進行研究，守口如瓶。1946年圣誕節(jié)晚會上，走漏消息，引起轟動。114C測年的創(chuàng)立2）經費問題

14C測定年代基礎是核物理，而卻應用在考古和地質方面。開始探索性研究不易被理解，沒人支持，經費只能取自其它項目之余。消息傳到了考古界，維竟金基金會主持人Fejos主動提供資金，得以改進儀器，使研究繼續(xù)進行。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博物館，館長Lansing立即將11個埃及出土已知年代的樣品寄去。4）實驗成功

1949年14C測年方法終獲成功，徹底改變了單靠觀察和經驗判定古物年代的方法。基本思想：若已知一個放射核素的半衰期，可以利用核衰變規(guī)律，建立一個時鐘測定過去流逝的時間。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現在D=3.95

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

104年現在D可測量過去時間t和活度D0

1)

14C的產生與平衡

n+14N14C+p

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

2.2個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如何知道過去的D02)基本假設天然C樣品的放射性270Bq/kg，從過去幾萬年前到現在沒有變化，是一個恒定的。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代謝過程，14C為恒定量保持不變。如果生命結束，交換過程停止，14C的份額就要減少。份額的減少與經歷的時間有關。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,加速器質譜計-超靈敏質譜方法1問題的提出和解決

1）射線計數法的局限性靈敏度低，需要樣品量多。對考古樣品，在幾天的測量時間內使測定的年代準確到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數法是通過測定樣品中14C正在發(fā)生衰變的原子核數目來確定其份額的。實際上，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14C原子核

射線計數法測量計數大約3.75個/分，若達到總計數104個需測量40-50小時。

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原子核的數目，而不是發(fā)生衰變核的數目，探測靈敏度會大大提高，樣品量就會減少。能不能直接測量樣品中14C原子核的數目呢？普通質譜計可以直接鑒別原子核，但靈敏度達不到，效率很低。3）核物理實驗技術的發(fā)展提供了可行性答案重離子核物理實驗技術在20世紀60年代取得了3項重大進展：離子源技術可以有效的產生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3He的方法，就是直接記錄3He原子核的數目。由此得到啟發(fā)，結合上面重離子核物理實驗技術的重大進展，使加速器從核物理實驗專用設備中解放出來，建立了加速器質譜計，達到了超靈敏的分析能力?？梢哉f，AMS對低水平或長壽命放射性測量，是一次革命性進展，同時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用。

2

加速器質譜計(AMS)

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

探測器靜電分析器注入磁鐵北京大學加速器質譜計1992建成，1993年投入工作

核素分辨能力3

14C-射線計數法與AMS法的比較

現代樣品

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計數/分13.7720

0.058

0.70.24本底1.6幾個/天

1.6幾個/天1.6幾個/天誤差50年25年

1800年

500年2500年所需時間12小時15分

4天

2小時1天4

超靈敏質譜方法的應用

特點：

1直接測量樣品中被測核素的數目，放射性的或穩(wěn)定的都可以

2靈敏度高，14C/12C比率可達到10-15

（超靈敏）

3需樣品量少，速度快，效率高。應用范圍擴大1可用于斷代的放射性核素增加了

10Be半衰期1.5×106年地質年代大陸架海域海底探礦錳結核?2放射性標記元素測量26Al研究神經系統(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）結果驚人一致：在公元1260-1380年可能性95%

決不會早于公元1200年100%結果震驚了世界，與人們傳說不一致耶蘇裹尸布樣品比郵票還小5AMS應用舉例1988年4月21日，關閉了保安系統(tǒng)，大不列顛博物館考古權威和大主教一起進入都靈教堂，從裹尸布上取下3小塊分別裝入標有號碼的金屬瓶子，同時還有類似的已知年代的物品3種，（1世紀，11世紀，14世紀），都只有編號沒有任何其他標示，分發(fā)給3個當時最有權威的AMS實驗室測量。亞利桑那大學牛津大學蘇黎世工學院2）冰人（IceMan）1991年在阿爾卑斯山中發(fā)現，與現代人不同，引起轟動。取了骨骼和臀部肌肉20-30mg，用加速器質譜計測量14C的含量的結果表明冰人生活年代3350-3300BC56%現在認為公元前3350-3100年3210-3160BC36%與歷史發(fā)展（銅器時代）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年啟動了國家社會發(fā)展重大研究項目“夏商周斷代工程”，人文學科與自然科學多學科交叉共同研究，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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