自然界中
碳元素有三种同位素，即稳定同位素12C、13C和放射性同位素14C，14C的
半衰期为5730年，14C的应用主要有两个方面：一是在考古学中测定生物死亡年代，即放射性测年法；二是以14C标记化合物为示踪剂，探索化学和
生命科学中的微观运动。 一、利用宇宙射线产生的放射性同位素碳——14来测定含碳物质的年龄，就叫碳——14测年。已故著名考古学家厦鼐先生对碳——14测定考古年代的作用，给了极高的评价：“由于碳——14测定年代法的采用，使不同地区的各种新石器文化有了时间关系的框架，使中国的新石器考古学因为有了确切的年代序列而进入了一个新时期。 那么，碳——14测年法是如何测定古代遗存的年龄呢？ 原来，宇宙射线在大气中能够产生放射性碳——14，并能与氧结合成
二氧化碳形后进入所有活组织，先为植物吸收，后为动物纳入。只要植物或动物生存着，它们就会持续不断地吸收碳——14，在机体内保持一定的水平。而当有机体死亡后，即会停止呼吸碳——14，其组织内的碳——14便以5730年的半衰期开始衰变并逐渐消失。对于任何含碳物质，只要测定剩下的放射性碳——14的含量，就可推断其年代。 碳——14测年法分为常规碳——14测年法和加速器质谱碳——14测年法两种。当时，Libby发明的就是常规碳——14测年法，1950年以来，这种方法的技术与应用在全球有了显著进展，但它的局限性也很明显，即必须使用大量的样品和较长的测量时间。于是，加速器质谱碳——14测年技术发展起来了。 加速器质谱碳——14测年法具有明显的独特优点。一是样品用量少，只需1～5毫克样品就可以了，如一小片织物、骨屑、古陶瓷器表面或气孔中的微量碳粉都可测量；而常规碳——14测年法则需1～5克样品，相差3个数量级。二是灵敏度高，其测量同位素比值的灵敏度可达10-15至10-16；而常规碳——14测年法则与之相差5～7个数量级。三是测量时间短，测量现代碳若要达到1%的精度，只需10～20分钟；而常规碳——14测年法却需12～20小时。 正是由于加速器质谱碳——14测年法具有上述优点，自其问世以来，一直为考古学家、古人类学家和地质学家所重视，并得到了广泛的应用。可以说，对测定50000年以内的文物样品，加速器质谱碳——14测年法是测定精度最高的一种。 1.碳14是碳的一种具放射性的同位素，于1940年首被发现。它是透过宇宙射线撞击空气中的氮原子所产生，其半衰期约为5，730年，衰变方式为β衰变，碳14原子转变为氮原子。 2. 由于碳14半衰期达5，730年，且碳是有机物的元素之一，生物在生存的时候，由于需要呼吸，其体内的碳14含量大致不变，生物死去后会停止呼吸，此时体内的碳14开始减少。人们可透过倾测一件古物的碳14含量，来估计它的大概年龄，这种方法称之为碳定年法。 （一）断代原理 自然界存在三种碳的同位素，它们的重量比例是12：13：14，分别用碳-12（C12）；碳-18（C18）；碳-14（C14）表示，它们的含量比例是98.9：1.1：10-10 。前二者是稳定同位素，只有碳-14有放射性，亦称放射性。碳C14放射β粒子后蜕变为N14，半衰期为5730±40年，反应式为:C14→N14+β一。 C14的半衰期只有五千多年而地球存在已有数十亿年，自然界却存在着保持一定水平的放射性碳元素，为使 C14的产生和衰变处于平衡状态，保持一定水平，必然存在着一种源泉。这个来源就在大气高空层，在那里，宇宙射钱中子和大气氮核作用生成C14。发现这一自然现象并用实验加以证实的是C14法创始人利比(W.F.Libby)。他从宇宙射线和人工核反应的研究中得到启发，认为自然界存在生成C14的条件，有可能检测出来.经过仔细考查计算，并在实验中解决了低能量低本底测量上的技术问题，测出了自然C14。由此建立了C14测定年代的方法。 最初，外来的宇宙射线与大气作用产生宇宙射线中子。宇宙射线中子和大气中氮核起核反应产生碳-14: 0n1+7N14→⒍C14+1H1 这一反应都在高空完成，新生碳原子在大气环境中不能游离存在很久，一般都与氧结合生成C14O2分子，C14O2和原来存在于大气中的CO2化学性能是相同的，因此必然与原有CO2混合参加自然界碳的交换循环运动。 植物通过
光合作用将CO2结合成植物组织，动物依植物为生，这就使生物界都混入了C14.动物通过排泄，死亡，植物通过腐烂，沉积，进入表层土壤而使C14进入土壤，大气与广大海面接触， CO2又与海水中溶解的碳酸盐和CO2进行交换，因此海水、海生物及海底沉积物中都含有C14。所以，凡是和大气中的CO2进行过直接或间接交换的含碳物质都包含C14。 这种产生C14的自然现象存在已久，同时C14按5730年半衰期衰变减少，这类碳中C14水平必然会到达平衡值。由于碳在自然界的交换循环相当快，处于与大气互相交换的各种物质在名地的C14水平基本上是一致的。 利用这种到处都 存在C14的自然现象就可以用来断代。例如陆地生物、海洋生物在生命过程中由于同大气经常交换，衰变掉的C14经常能得到补充，但一旦停止了交换（如死亡、沉积），其C14就再得不到补充，C14水平因衰变而降低，每5730年降为原有水平的一半值。因此测量标本现存的C14放射性水平和它原始放射性水平相比较，就可以算出死亡或停止交换的年代，当然，几千年或几万年前处于交换状态的动植物的放射性水平是无法测知的，但若假定这种产生C14的自然现象几万年来都没有什么变化，就可以用现在世界各地处于交换平衡状态的动植物放射性水平，作为标本的原始放射性水平，即所谓“现代碳”放射性标准。 放射性衰变规律可用数学式表示，标本年代的计算公式如下： A=τln No/NA A： 标本年代 τ：C14平均寿命 NA：标本现有放射性 No：标本原始放射性 C14平均寿命是一个常数，由实验测定，测出No、NA即可计算出标本年代。 这就是C14断代的原理，由于这一方法所依据的是原子核的变化。这种变化不受周围环境的物理、化学条件的影响，而C14半衰期（5730年）正适用于对几千年到几万年的标本进行断代。另外，一些含碳的物质，如木、草、骨、贝壳等动植物遗骸在古代遗址中普遍存在，因此，C14法自1950年建立起，就成为有力的断代手段而广泛应用于史前考古学和第四纪晚地质学。 （二）测量技术 C14测定年代方法在技术上不同于一般放射性同位素测量，它的特点是放射性强度弱，能量低，自然碳中C14含量仅为1.2×10一10 %，每克碳的放射性强度仅几微微
居里，即每分钟约有10 多个原子衰变，标本的年代越久远，放射性还会迅速降低，如二万年以上的标本，其计数率就会降到每分钟一次以下.针对这种情况，必须专门设计低本底低能量β射线的高效率探测器，把标本中的碳制备成探测器的组成部分，并在特制的屏蔽室中进行测量.如气体法将标本碳全部转成计数管中的计数气体，液体法则全部转成闪烁液的溶剂，这些基本要求就决定了C14年代测定必须要有一个完备的实验室，包括设有化学处理，标本制备的系统，完善的屏蔽设备，特制的探测器和能长时间工作而又稳定的电子测量系统，并且经过精心的操作才能保证数据准确可靠.