碳14

碳14（¹⁴C）或放射性碳是碳元素的一种具放射性的同位素，于1940年2月27日由加州大学伯克利分校放射性实验室（现劳伦斯伯克利国家实验室）的马丁·卡门和萨姆·鲁本首先发现。它透过宇宙射线撞击空气中的氮原子所产生。碳-14原子核由6个质子和8个中子组成。其半衰期约为5,730±40年，衰变方式为β衰变，碳14原子转变为氮-14原子。在地球上有99%的碳以碳-12的形式存在，有大约1%的碳以碳-13的形式存在，只有万亿分之一（0.0000000001%）是碳-14，存在于大气中。1940年代，威拉得·利比在美国芝加哥大学利用碳14发明了放射性碳定年法，并于1960年获得诺贝尔化学奖。 由于在有机材料中含有碳-14，因此根据它可以确定考古学、地质学和水文地质学样本的大致年代，其最大测算不超过6万年，而且没有参照的情况下误差较大。由于其半衰期达5,730年，且碳是有机物的元素之一，我们可以根据死亡生物体的体内残余碳-14成分来推断它的存在年龄。生物在生存的时候借由呼吸摄入碳-14，在生物体内含量大致稳定不变，生物死去后停止呼吸，此时体内留存的碳-14因衰变开始减少。由于碳元素在自然界的各个同位素的比例一直都很稳定，人们可透过测量一件古物的碳-14含量，来估计它的大概年龄。这种方法称之为放射性碳定年法。这个方法估计的大气碳-14含量通过植物年轮（最多可推算到大约10000年前）或者洞穴堆积物（例如钟乳石，最多可推算到大约45000年前）来推算。根据这个推算（更确切的说）对比年轮和洞穴堆积物就可以建立起碳-14的年代变化模型，从而获得其它样本的年龄。不过，碳-14测年法最大测算时间不超过6万年，而且所测得的年代有颇大的误差。而且它的假定，即大气中的碳-14浓度不会随时间而改变，也与事实有落差。此外，碳-14测定亦有可能受到诸如火山爆发等自然因素影响，因为在火山喷发时将地下大量气体和物质带到大气中，从而影响碳-14在某区域大气中的含量。所以，若没有其他年代测定方法（如：利用树木的年轮）来检订，单单依赖碳-14的测年数据并不完全可靠。随着现代工业的高速发展和大量化石燃料的应用，古代深藏地下的碳被排放到大气中并进入生物循环，但是这些化石燃料的碳-14含量非常稀少甚至没有，因此不会对放射性碳定年法的结果产生干扰。大多数人造材料（塑料）由化石燃料，诸如石油或者煤炭制成，其中包含着远古时期的碳-14。然而，石油蕴藏物中通常存有微量的碳-14，但所含的碳-14的量不稳定，误差范围可以从当时有机物中的1％到40000年之间碳-14曾经存在过的最高水平。这表明碳-14的浓度有可能会在自然界当中受到污染，例如细菌、地下放射性物质（例如，铀元素的衰变辐射） 或其它的碳-14的二次制造源。现存的碳-14在其碳质原料的同位素特征中有机会受到生物源污染或地质岩层附近环境的放射性污染。在人体中，碳占整个身体质量的18%。生物体的每克碳内含有大约500亿个碳-14原子，其中每分钟大约有10个碳-14原子衰变。