碳14测年 如何通过化石测年？

在利用物理和化学方法客观鉴定古生物年代之前，地质学家和考古学家主要依靠经验和旁证来确定古古物的年代，误差很大。

1940年，美国科学家马丁卡门和他的同事萨姆鲁宾发现了碳14；1947年，芝加哥大学的威拉德利比因发明碳14年代测定法而获得诺贝尔化学奖。从此，考古学、地质学和水文学中棘手的断代问题有了革命性的突破。

碳14如何确定目标的年龄？碳(元素符号C)是元素周期表中的第六个元素，因为碳原子的原子核中有六个质子。但碳有三种常见的同位素，分别是碳12、碳13和碳14(简称碳12、碳13和碳14)。它们原子核中的质子数相同，但中子数分别为6、7和8。

三种碳同位素中，C-12和C-13是稳定同位素，也就是它还在太多少年那里；C-14是放射性元素，不稳定，会衰变为其他物质，半衰期为5730年。也就是5730年后，一半的C-14会衰变为氮-14。

这提供了一种计算物质存在多少年的方法。只要确定这种物质中还剩下多少C-14，就能大致知道这种物质存在了多少年。

必须有一个前提，就是C-14的量是固定的。否则，即使是神仙也无法知道还会存在多少年，或者知道内容后也无法计算自己存在了多少年。碰巧的是，地球上存在的碳的天然同位素通常是一个稳定的值，即大约99%的C-12，1%的C-13，C-14只有一万亿。

正是碳14、碳12和碳13的比例关系，成为科学家计算某些物质年龄的重要依据。例如，植物或动物在活着的时候应该吸收碳。比如人通过呼吸和食物摄入获得碳，这些碳元素在体内积累，比例基本固定。但是一旦生物体死亡，这些元素就不再被吸收，于是C-12和C-13就被固定在体内，而C-14开始衰变减少。

科学家从发掘或发现的古生物遗骸或骨骼中取一些样本，通过仪器检测计算出其中的碳含量，得出碳14与碳12、碳13的比例关系，从而得出生物遗骸的年龄。比如里面的C-14只有应有的一半，这个古生物遗骸的年龄是5730年，等等。

但是C-14测年法有一定误差，因为C-14的半衰期本身就有40年的误差，每一个历史时期或者特殊的环境变化，比如火山爆发，都会导致C-14含量的波动。因此，在使用C-14测年法时，其他参照物，如在树木年轮和钟乳石年轮中检测C-14得到的数值，也作为参考。

据国外媒体报道，一个国际科学小组对碳14测年进行了重大校准。这项历时7年的研究使用了从世界各地收集的15000个样本，绘制出一条全新的、更精确的校准曲线，可以更精确地确定55000年前物体的年龄。

因此，C-14测定法问世后，比过去那些完全依靠经验的人，比如完全依靠几个老专家的经验来估算文物市场要好得多。这是一个客观标准，避免了很多主观猜测。但由于物体中C-14的含量非常少，所以越老越稀少。所以相对准确的年代测定一般在6万年以内，时间过长误差会更大。

那么化石、岩石年龄和地球年龄是怎么来的呢？化石和岩石的年龄是几亿年甚至几十亿年，地球的年龄是46亿年。这是怎么发生的？

事实上，虽然C-14不能对一个很长时间的化石或岩石进行年代测定，但它启发了人们的方法论，即既然C-14放射性同位素可以进行年代测定，而且还有很多放射性同位素，有些半衰期很长，为什么不能用半衰期更长的放射性同位素对更长的物质进行年代测定呢？

事实上，正是半衰期更长的放射性元素被用来确定遥远物质的年龄。比如除了C-14法，还有铀钍铅法、钐钕法、铷锶法、钾氩法等等。

这些工艺专业复杂，我就不说了(见上图：铀钍铅法介绍)。

其实我们只需要知道这些元素的半衰期，以及它们衰变成为稳定元素的过程。

例如，铀(化学元素符号U)有三种天然同位素，即U-234、U-235和U-238。它们的原子核都有92个质子，但中子数不同，分别为144、145和146。铀238、铀235和铀234的天然丰度分别为99.275%、0.72%和0.005%。

铀的三种天然同位素的半衰期分别是：铀238为45.1亿年，铀235为7亿年，铀234为24.7万年。这样，根据不同样本中铀的含量，就可以计算出同位素之间的比例，物体从诞生到现在已经存在了多久。

其他放射性元素测定方法也是这样粗略计算的。

在放射性元素确定之前，人们基本上是用经验估算或者胡说八道来估算地球的历史。比如古希腊的亚里士多德认为时间无始无终，所以地球是无限古老的；在中世纪，许多基督教神学家通过研究《圣经》估算出地球的年龄在5471年到7519年之间，甚至有信徒精确计算出地球诞生的日期是公元前4004年10月22日。

因为那时候我一直认为地球是宇宙的中心，所以我认为地球的年龄就是宇宙的年龄。

其实这都是扯淡，直到达尔文调查后提出物种进化理论，人们对世界的认知才进入科学体系，发现很多化石不是几千年就能解释的，地球也远没有想象中那么年轻。但是地球的年龄有多大？从来没有概念。

直到威拉德利比(Willard Libby)的C-14方法问世后，发现了C-14，用放射性同位素测定古代物体的年龄，人类对宇宙和地球的认识才发生了翻天覆地的变化。通过对地球各种地质年代的考察和测定，人们知道地球至少有40亿年的历史。

加州理工学院的地球化学家克莱尔帕特森(Claire Patterson)曾参与曼哈顿计划研发原子弹，但她更出名的是计算宇宙年龄。20世纪5 0年代，他改进了铀铅测年法，发明了铅铅测年法，测量了取自暗黑峡谷的陨石中铅的同位素含量，得到地球年龄为4.550.7亿年，这是至今无人能比的精确估计。

测量陨石可以得到地球的年龄，因为陨石基本上都是来自太阳系的小行星，而这些小行星是太阳系形成的产物，是和地球同龄的天体。但是克莱尔的计算误差是0.7亿岁，所以科学界普遍认为地球的年龄可能是46亿岁。

除了计算地球的年龄，科学家们还通过放射性同位素测定测量了许多地质条件和古生物化石，如恐龙化石、寒武纪生命大爆发的化石和最早的微生物化石，使人类越来越了解自己家园的历史。对此你怎么看？欢迎讨论，感谢阅读。

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