思考——如果有交换，结果如何?
在现在生活的树木中，
12C
∶ 13C ∶ 14C=98.9 ∶1.1 ∶1.07×10-10，这个 比值称为碳活动性常数。 工业废气及汽车尾气中的 CO2， 化石燃料和碳 水化合物燃烧排放的CO2，会稀释大气中14C的 浓度。尤其 1850~1954 年的工业革命，化石燃 料的燃烧使12C浓度大大增加。 近代核武器爆炸会增加大气中14C的浓度。1963 年大量核武器爆炸，使14C ∶ C增加了90%。 地球磁场强度变化，太阳黑子活动，可以改变 宇宙射线流，进而改变大气中14C的浓度。
14N + 1n 7 0 14C 6 14N + 7
14C 6
+ p（ 14C6产生） 1
14C 衰变）2 6
e - ++Q（
电子 反中微子
最大衰变能量
14C通过第一式不断产生，通过第二式不断衰变。
思考：
A. 在14C6产生和衰变的最初一段时间， 14C6产生与衰变的速度 （单位时间内衰变的14C6原子数）如何？ B. 经过一段时间后， 14C6产生与衰变的速度又如何？ C. 当14C6产生的速度与衰变速度相等时，大气中14C6的浓度如何 ？
EN型串列静电加速器
串列 AMS 系统——离子源、注入 系统、串列加速器、高能分析系统 、重离子探测器、数据获取系统
北京大学加速器质谱计装置示意图
IS——离子源 EL——单透镜 PA——预加速段 ST——导向器 SL——缝 FC——法拉第杯 GL——间隙透镜 IM——注入磁铁 DM——双注入磁铁 BPM——束流抛面仪 EQ——静电四极透镜 MQ——磁四极透镜 AM——分析磁铁 BM——偏转磁铁 ESD——静电分析器 DT——探测器
EN型串列静电加速器
DM——双注入磁铁 BPM——束流抛面仪 EQ——静电四极透镜 MQ——磁四极透镜 AM——分析磁铁 BM——偏转磁铁 ESD——静电分析器 DT——探测器
IS——离子源 EL——单透镜 PA——预加速段 ST——导向器
SL——缝 FC——法拉第杯 GL——间隙透镜 IM——注入磁铁
第4天 得到100元 存款187.5元 第5天 得到100元 存款193.75元
第6天 得到100元 存款196.875元 第7天 得到100元 存款198.4375元
花掉93.75元 花掉96.875元
花掉98.4375元 花掉99.21875元
剩余93.75元 剩余96.875元
剩余98.4375元 剩余99.21875元 剩余99.609375元 剩余99.8046875元 剩余99.90234375元
年首创的。由于他在14C测年方面的杰出贡献，1960年获得 诺贝尔化学奖。 14C方法是第四纪年龄测定的主要方法之 一，测年精度很高。 碳在自然界有3种同位素：
12C（98.8%) 13C（1.108%） 14C（1.2×10-10%）——放射性同位素，主要产生于高空
稳定同位素
大气层。
(2)14C的产生
在高空大气层，由于宇宙射线的冲击，产生一些热中子和电子 等多种粒子。 冲击概率恒定
其它粒子 宇宙射线的主要成分为质子 (83% ～ 89%) 、 α 粒子 (10% ～ 15%) 及原 子序数 Z≥3 的轻核和高能电子 (1% ～2%)，这种射线能量很高，可达 10~20MeV以上。
热中子
电子
热中子——运动很缓慢,能量在0.03电子伏特数量级。相对而言， 还有“快中子”，能量在 1.1 兆电子伏特以上。中子不带电，且 有一个质量单位。
第八章 第四纪年代学
Chapter 8
Quaternary Geochronology
C
第一节 放射性碳测年法
Section 1 Radioactive Carbon Dating
C
1.14C测年的 基本原理
（1）自然界的碳同位素
14 C 测年法是由美国放射性化学家 W.F.Libby（利比） 1949
有一个流浪汉，每天得到100元救济款，但此君每天都花 掉所拥有钱数的1/2，在救济开始的第一天之前，此君手 中的钱数是0，濒于饿死。
第1天 得到100元 存款100元
第2天 得到100元 存款150元 第3天 得到100元 存款175元
花掉50元
花掉75元 花掉87.5元
剩余50元
剩余75元 剩余87.5元
14C
吃 饭
喝 水 吃水果
14C
大气中的另外一部分14C随CO2溶于水，其中一部分形成
含 有 1 4 C 的 碳 酸 岩 ( 例 如 Ca14CO3) 或 重 碳 酸 岩 （
Ca(H14CO3)2），另一部分被海洋生物吸收。
14C
陆地上的生物死亡以后，或水中的物质沉积以后， 都释放出CO2进入大气（注意，其中一部分为14CO2 ）。这样，随着大气圈、水圈、生物圈中的碳交换 ，最终使“三圈”中的14C浓度保持着平衡。
e λ T=
已知14C的半衰期为556830年，从而得出常数项为：
1 Io 18.5103(年) I
（3）
上式中初始值Io为已知，一般取现今大气中14C的浓度。只要测
得样品中的14C浓度I ，根据（3）式就可以确定样品的年龄。
由（3）式可以看出，经过10个半衰期以后（即T= 55680年） I Io 14C浓度减小到原来1/1000。 lg Io =3, =1000, 即样品中的 I
这时现有的仪器几乎测量不出来，所以，14 C方法可以测定的最 老年龄为5万年。
最近，利用加速器加速14C，可以测定6~7万年的老样品。
2.14C测年的假设条件
•假定在可测定年龄的时间内（即7万年以 来），大气圈中的14CO2浓度为一常数（即 等于现在大气层中的14C浓度）。 •假定生物死亡或碳酸岩沉积之后，保存于 封闭环境，不与外界发生14C交换。
EN型串列静电加速器
DM——双注入磁铁 BPM——束流抛面仪 EQ——静电四极透镜 MQ——磁四极透镜 AM——分析磁铁 BM——偏转磁铁 ESD——静电分析器 DT——探测器
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SL——缝 FC——法拉第杯 GL——间隙透镜 IM——注入磁铁
北京大学加速器质谱计装置示意图
北大的AMS加速器为EN型串列静电加速器，其高端电压为6MV。
加速器高压头部装有电子剥离器，注入的负离子经剥离后转变为 正离子。
迚行14C测量时，端电压一般选用3MV，此时选择3+电荷态，可以 得到较高的剥离效率。
EN型串列静电加速器
DM——双注入磁铁 BPM——束流抛面仪 EQ——静电四极透镜 MQ——磁四极透镜 AM——分析磁铁 BM——偏转磁铁 ESD——静电分析器 DT——探测器
河系中心的最进点。而整个“银河盘”又是在包裹着它的热气
体中以每秒200公里的速度运行。“银河盘幵不像飞盘那样圆滑 ”，科学家称，“它是扁平的”。当银河系的“北面”或前面
与周围的热气摩擦时就会产生宇宙射线。
宇宙射线还存在着转化、簇(醋)射的过程。除中微子以外，几乎 所有的高能宇宙射线，在穿过大气层时都要与大气中的氧、氮 等原子核发生碰撞，幵转化出次级宇宙线粒子，而超高能宇宙 线的次级粒子又将有足够能量产生下一代粒子，如此下去，一 级一级的转化，将会产生一个庞大的粒子群。 1938 年，法国人 奥吉尔在阿尔卑斯山观测到了这一现象，幵将其命名为“广延 大气簇射”。 宇宙射线为来自太阳系以外的高能量粒子，能量约从 109eV 到 1020eV以上。在靠近地球的太空中，每秒每平方厘米约有一个宇 宙射线穿过。宇宙射线的主要成份是质子，其它核种从氦核到 铁核以上，甚至微量的镧系元素。在人造粒子加速器中其最高 能量约为1013eV。宇宙射线的能谱横跨12个数量级的能量。能谱 上有两个有重要物理意义的转折点， 1015eV 称为膝点 (knee) ， 3×1018eV 称 为 踝 点 (ankle) 。 极 高 能 宇 宙 射 线 (Ultra High Energy Cosmic Rays: UHECR)主要研究1018eV以上的宇宙射线。
14C
14C
(5)14C的自然衰变
当生物死亡或碳酸岩沉积之后，如果被迅速埋藏，那 么，生物体内或碳酸岩内部的14C与外界的交换便停 止下来。其内部的14C浓度随时间按指数规律减少： I=Ioe- λ T
I——经过时间T后的14C浓度 Io——14C的初始浓度（生物死亡时的浓度）， 规定为100% T——时间（年） e,λ——常数 注意：上述衰变过程不受任何外界环境的影响！随着时间的增
3.测定对象
•木头及木炭 •泥炭 •淤泥 •骨头、骨化石 25~60g 200~500g，一般取1000g 500~1000g 1000g
•贝壳、珊瑚等
石灰华 钟乳石
200~300g
•无机碳酸盐沉积 500g
苏 达 钙结石 天然碱
•古石灰
1000g
•象牙
50g
测定对象
•土壤和古土壤 •陨石标本 •种子 •谷粒 硬果壳 草 布 兽皮 •古铁器 细枝 纸 500~1000g 200g 100g
当大气中14C6产生的速度与衰变速度相等（动态平 衡）时，大气中14C6的浓度是一定值。
(4)碳 循 环
14 C 在高空形成以后，很快被氧化成 14 CO ，并均匀分布 6 2
在大气圈中（注意，大气中氧很丰富，约占20.95%）。
植物 光合作用 吸收CO2 放出O2 食草动物14C 食肉动物14C
25g
1000g
•毛发编织物
•其它 空 气 冰
100g
海 水 地下水
土壤水 雪
（3）新技术
加 速 器 质 谱 仪 （ Accelerator Mass Spectrometry ，简称 AMS）——1977 年开始 ，直接计数 14 C 原子数，而不是计数在衰变 过程中产生的少量粒子。 优点： •加大了测量范围； •灵敏度的增加 使样品用量减少到原来的 1/1000。