14C测定年代和加速器质谱分析课件.ppt

1、 四 人类文明史的精确考察 14C测定年代Willad Libby 美国物理学家 (1908-1980) 1949 年成功 1960年诺贝尔奖 1） 14C 测年设想诞生 20世纪40年代利比有了利用放射性半衰期测定古物年代的设想，二战被迫中断。战后受聘于芝加哥大学进行研究，守口如瓶。1946年圣诞节晚会上，走漏消息，引起轰动。1 14C测年的创立2）经费问题 14C测定年代基础是核物理，而却应用在考古和地质方面。开始探索性研究不易被理解，没人支持，经费只能取自其它项目之余。消息传到了考古界，维竟金基金会主持人Fejos主动提供资金，得以改进仪器，使研究继续进行。3）样品问题1946年底，同利

2、比一起工作的阿拿德明白了利比的研究目的，在新年假期告诉了他的父亲（律师，业余考古爱好者），消息又传到了英大都会博物馆，馆长 Lansing 立即将11个埃及出土已知年代的样品寄去。4）实验成功 1949年14C测年方法终获成功，彻底改变了单靠观察和经验判定古物年代的方法。基本思想：若已知一个放射核素的半衰期，可以利用核衰变规律，建立一个时钟测定过去流逝的时间。2 14C 测定年代的原理T1/2 = 5730年 0.156 MeV放射性衰变规律 D = D0 e-tt =-(T1/2 /0.693 ) ln (D/D0)利用半衰期 定义 举例：14C样品 过去 D0=4.00 现在 D = 3.

3、95 t =-(5730 /0.693) ln (3.95/4.00) 104年现在 D 可测量过去 时间 t和活度D0 1) 14C的产生与平衡 n + 14N 14C + p 14C 14N + + 宇宙射线中子与大气中的14N原子核反应产生放射性14C，平衡后，14C的产生速率（地球表面）： 2.2 个14C原子/cm2 秒 14C/ 12C = 1.1810-12 14CO2 + 12CO2 混合一体 天然 C 样品的放射性 270 Bq / kg3 利用 14C 衰变测年代基本假设如何知道过去的 D02) 基本假设天然C样品的放射性 270 Bq / kg ，从过去几万年前到现在没有

4、变化，是一个恒定的。3）方法的建立只要 C 参加自然界中有生命物体的交换过程和物质代谢过程，14C 为恒定量保持不变。如果生命结束，交换过程停止， 14C 的份额就要减少。份额的减少与经历的时间有关。放射性14C 方法可以直接确定古老木料 皮肤 毛发 羊皮纸 等的年代。古埃及国王Sesostris 三世载尸船舱板的年代为4500年前。四, 加速器质谱计-超灵敏质谱方法1 问题的提出和解决 1） 射线计数法的局限性 灵敏度低，需要样品量多。对考古样品，在几天的测量时间内使测定的年代准确到 100年，需要1-5 g 纯碳或者25-1000 g 样品。许多稀世珍宝样品没有这样的量或者不可能用来测定。

5、 怎样减少样品用量和提高效率 ？2）解决问题的思考 射线计数法是通过测定样品中14C正在发生衰变的原子核 数目来确定其份额的。实际上，样品中还有许多14C原子核 还没有发生衰变。 例如：12000年前的C样品 1g 含有 1.6251010个 14C原子核 射线计数法测量 计数大约3.75个/分， 若达到总计数104 个 需测量40-50小时。 14C 的利用率 104 / 1.6251010 = 6 10-7 太低了如果能够直接测量样品中14C原子核的数目，而不是发生衰变核的数目，探测灵敏度会大大提高，样品量就会减少。 能不能直接测量样品中 14C 原子核的数目呢？普通质谱计可以直接鉴别原子

6、核，但灵敏度达不到， 效率很低。3）核物理实验技术的发展提供了可行性答案 重离子核物理实验技术在20世纪60年代取得了3项重大进展： 离子源技术可以有效的产生 14C 的离子 加速器能够有效地加速重离子到较高能量（MeV) 探测器技术可以直接鉴别核素 12C 13C 14C 等70年代中期，人们想起了1938年曾利用回旋加速器将 3He 与 3H 分离而发现 3He 的方法，就是直接记录3He原子核的数目。由此得到启发，结合上面重离子核物理实验技术的重大进展，使加速器从核物理实验专用设备中解放出来，建立了加速器质谱计，达到了超灵敏的分析能力。可以说，AMS对低水平或长寿命放射性测量，是一次革命

7、性进展，同时AMS也可以用于超痕量稳定元素的分析，在生物、环境和药物等方面有广泛的应用。 2 加速器质谱计 (AMS) Accelerator Mass Spectroscope离子源串列静电加速器分析和开关磁铁 探测器静电分析器注入磁铁北京大学加速器质谱计1992 建成，1993年投入工作 核素分辨能力3 14C-射线计数法与AMS法的比较 现代样品现代样品 6万年前样品万年前样品10万年前样品万年前样品放射性放射性 AMS放射性放射性AMS放射性放射性AMS样品量样品量 1 克克 1 mg 几克几克 2-5 mg100mg计计 数数 /分分 13.7 720 0.058 0.70.24本本

8、 底底 1. 6几个几个/天天 1.6几个几个/天天 1.6几个几个/天天误误 差差 50年年 25年年 1800年年 500年年 2500年年所需时间所需时间 12小时小时 15分分 4天天 2 小时小时 1天天4 超灵敏质谱方法的应用 特点： 1 直接测量样品中被测核素的数目， 放射性的或稳定的都可以 2 灵敏度高，14C /12C 比率可达到 10-15 （超灵敏） 3 需样品量少，速度快，效率高。 应用范围 扩大1 可用于断代的放射性核素增加了 10Be 半衰期 1.5106年 地质年代 大陆架海域海底探矿锰结核?2 放射性标记元素测量 26Al 研究神经系统等3 稀有过程粒子的探测

9、等1）耶苏裹尸布年代考察（AMS） （83页） 结果惊人一致：在公元1260-1380年 可能性 95% 决不会早于公元1200年 100%结果震惊了世界，与人们传说不一致 耶苏裹尸布样品 比邮票还小5 AMS应用举例1988年4月21日，关闭了保安系统，大不列颠博物馆考古权威和大主教一起进入都灵教堂，从裹尸布上取下3 小块分别装入标有号码的金属瓶子，同时还有类似的已知年代的物品3种，（1世纪，11世纪，14世纪），都只有编号没有任何其他标示，分发给 3 个当时最有权威的AMS实验室测量。亚利桑那大学 牛津大学 苏黎世工学院2）冰人（Ice Man）1991年在阿尔卑斯山中发现，与现代人不同，

10、引起轰动。取了骨骼和臀部肌肉 20-30 mg， 用加速器质谱计测量 14C 的含量的结果表明 冰人生活年代 3350-3300 BC 56% 现在认为 公元前3350-3100年3210-3160 BC 36% 与历史发展（铜器时代）吻合3140-3120 BC 8% 3） 我国夏商周断代工程 中华文明5000年历史，但过去国外承认的确切年代是司马迁史记记载的西周晚期共和元年（公元前841年）。再向前缺少考证存在分歧。1996年启动了国家社会发展重大研究项目“夏商周断代工程”，人文学科与自然科学多学科交叉共同研究，2001年11月9日正式公布了夏商周年表，把我国的历史记年由公元前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 汤商 后期 前1300-前1046 年 纣西周 前 1046- 前841年-前 771年 武王 幽王前1000年前2000年前3000年10002000前841年 夏前2070年-前1600 商 前1046 周前771公元 0 夏商周年表 2000年11月9日