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碳14測定法│科學史上的今天:5/30

(本報訊)2011 年底於馬祖亮島島尾I遺址出土的人骨,經碳14 年代測定為距今 8,200 年的人骨遺骸,並命名為「亮島人」1 號。2012 年 7 月間又在同地點發現「亮島人」2 號,測定為距今 7,590 至 7,530 年。

是的,我們常看到考古學家用碳14 測定法判斷出土骨骸或文物的年代。事實上,除了考古學,包括地質學、生物學,乃至鑑定藝術品真偽都可能用到碳14 測定法。這項神通廣大的工具乃起源於美國化學家李比(Willard F. Libby, 1908-1980)於 1947 年 5 月 30 日在《科學》雜誌上所發表的論文〈來自宇宙輻射的放射性碳〉

一般我們所稱的碳元素有 6 個質子與 6 個中子,又稱碳 12;而碳 14 則多了 2 個中子,但它可不是由碳 12 變來的。事實上,地球上所有的碳 14 都是來自於宇宙射線中的中子束與大氣層中的氮原子撞擊後的產物。碳14產生後很快就與大氣中的氧原子結合成二氧化碳,因此大氣中的二氧化碳所含的碳原子除了碳 12,還有少量是由碳 14 組成。

碳12 是極為穩定的原子,但碳14 是種放射性元素,它會自動衰變回氮原子。每個碳14 原子衰變的時間都不一定,但一大堆碳14的平均衰變時間就很固定了;這就像學校裡每個學生的跑步速度都不一樣,但是每一班的平均速度都差不多。平均而言,過了 5,730 年碳14 原子就會有一半衰變成氮原子,這 5,730 年就是碳14 的半衰期。而科學家發現碳14 生成與衰變的速率差不多,所以亙古以來,地球上的碳14 與碳12 都維持一定的比例,大約是 1.3 兆分之一沒有改變。

二氧化碳被植物吸收,其中的碳原子經食物鏈進入動物體內後也是維持這樣的比例不變,直到這生物死亡為止。生物死亡之後,體內的碳12 數量維持不變,但碳14 卻會逐漸衰變而越來越少,因此只要測出骨骸中這兩者的比例,就能反推計算出此生物已經死了多少年。這就是李比提出的碳14 測定法,他也因此獲得 1960 年的諾貝爾化學獎。

不過碳14 測定法也有其侷限。如前面所說,碳14 的正常比例只有 1.3兆分之一,經過十次半衰期就只剩一千三百兆分之一,這大約就是現代測量儀器的極限了。因此年份在六萬年以下的生物或物體才適用碳14 測定法,超過六萬年以上的就得利用其它半衰期更長的放射性元素了。所以下次你如果看到電視或電影中說某物品經碳14 測定有數十萬年歷史,就可以好好嘲笑它了。

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。