放射性碳定年法

放射性碳定年法（英语：Radiocarbon dating），又称碳测年（carbon dating）、碳十四定年法或碳十四年代测定法（carbon-14 dating），是利用自然存在的碳-14同位素的放射性定年法，用以确定原先存活的动物和植物的年龄的一种方法，可测定早至五万年前含碳有机物质(也可以来测无机物质，只是大部分不会)的年代。对于考古学与晚第四纪地质研究来讲，这是一个准确的定年法技术。威拉得·利比于1940年代在美国芝加哥大学发明了放射性碳定年法，并于1960年获得诺贝尔化学奖。1939年，Martin Kamen和Samuel Ruben在美国劳伦斯伯克利国家实验室发现碳14（放射性碳）。1945年，威拉得·利比在芝加哥大学开始了对放射性碳的研究，并于1946-47年发表数篇论文提出了放射性碳定年法。 1960年，利比因此获得诺贝尔化学奖。碳以同位素混合物形式存在于大气和所有生命组织中（在组织存活时期混合物的比例为恒定）。碳有两个稳定同位素：碳-12（12C）和碳-13（13C）。除此之外，还有一些微量的不稳定（放射性）同位素：碳-14（14C）。14C的半衰期为5730年，因此它要用很长的时间才可完全消失，当（动物或植物）组织死亡后，由于碳-14会经历衰变，其比例就会降低，于是死亡样品的年龄可以通过测量样品的碳-14含量来确定。碳-14是放射性的，它的形成是由于宇宙射线撞击在地球大气层中氮的随机反应。当宇宙射线进入大气层，它们经过数重转化，包括中子的形成。这些中子撞击氮-14原子会有以下的反应：碳-14主要在30,000-50,000呎高空和较高的纬度形成，经由大气循环平均分布于大气之中，并且与氧进行反应而形成二氧化碳。透过大气与海水间的气体交换，二氧化碳亦会溶解于水体之中。由于假设在一段长时间之中，宇宙射线通量（flux）是均等的，故可假设碳-14是均速形成的；因此，在地球大气层和海洋中放射性与非放射性的碳的比例是固定的：约为1 ppt（part per trillion，1兆分之1：每一摩尔六千亿原子）。植物进行光合作用吸入大气层中的二氧化碳，然后又被动物进食，故此所有生物都固定地与大自然交流着14C，直至它们死亡。一旦死亡之后，这个交流就会停止，14C的含量就会透过放射衰变逐步减少。这个衰变可以用来计量一个已死的生物的死亡时间。传统的14C测定是借由数出个别碳原子的放射衰变数量（见液相闪烁计数）而测定放射性碳元素的含量。然而此种测量方式较不灵敏且受制于统计误差的干扰，举例来说，在开始的时候已并不多的14C，由于其半衰期很长，故短时间内很少原子会发生衰变，所以探测衰变量变得相当困难（例：刚死去时的衰变为4原子/秒·摩尔，10000年后衰变为1原子/秒·摩尔)。因此使用传统闪烁记数方式的14C定年需要较多的样本与测定时间。利用加速器质谱仪（AMS）的技术，14C可以直接数出，灵敏度和敏感度因而大大提升。粗略的放射性碳定年通常以B.P.（before present）来表示。BP就是从1950年起以前的放射性碳年数。这是一个名义上于1950年14C在大气层水平（假定这个水平不变：见下文“校准”）。放射性碳实验报告会是一个不肯定的数字，如3000±30BP指出一个标准偏差为30放射性碳年。传统地这个误差只包括统计数量的不确定，但一些实验室会提供一个“误差乘数（暂译：error multiplier）”，将这个数字乘不确定的数量就可计算出其他于测量中所出现的误差。碳定年法系由一支由威拉得·利比带领的队伍发展的。原本人们用的碳-14半衰期是5568±30年。这个就是“利比半衰期（暂译：Libby half-life）”。其后量度出一个更准确的“剑桥半衰期（暂译：Cambridge half-life）”为5730±40年。然而实验室继续利用利比的数字来避免混淆。一个由利比的数字来得出定年可借由乘以一个比例（约为1.03）校准，但这并不是必须的，因为这可由现代的校准曲线来调校。放射性碳实验报告所得出之年代并无法直接反映样本的生成年代。由于现实环境中宇宙射线的通量并不是一个恒定的值，因此每一个时期内大气中的14C含量并不固定。因此要让测定年代能准确的对应到样本的可能生成年代，必须对测定年代使用校准曲线进行校准，以推测其可能形成之时间。14C校准曲线是由已知年代之样本与测定年代相对应而建立的。对于陆地样本而言，目前所通用的校准年代系透过现生与化石树木之树轮测定而校准的。对于海洋样本而言，由于洋流作用之关系，14C的含量平衡速率较慢，因此校准年代远较陆地样本困难。现今海洋样本的校正曲线系透过已知年代的现生与化石珊瑚测定而成，另外在不同的地方另需要考虑洋流作用与区域环境的额外影响。