14C测定年代和加速器质谱分析课件

四人类文明史的精确考察—14C测定年代WilladLibby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。114C测年的创立四人类文明史的精确考察—14C测定年代WilladL2）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。2）经费问题基本思想：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

0.156MeV放射性衰变规律D=D0e-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=3.95

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

1)

14C的产生与平衡

n+14N14C+p

14C14N++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270Bq/kg3利用14C衰变测年代基本假设如何知道过去的D01)14C的产生与平衡3利用14C衰变测年代基本假2)基本假设天然C样品的放射性270Bq/kg，从过去几万年前到现在没有变化，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。2)基本假设放射性14C方法可以直接确定古老木料皮肤四,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1-5g纯碳或者25-1000g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。怎样减少样品用量和提高效率？四,加速器质谱计-超灵敏质谱方法1问题的提出和解决怎样减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=610-7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核，但灵敏度达不到，效率很低。2）解决问题的思考能不能直接测量样品中14C原子核的数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12C13C14C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。3）核物理实验技术的发展提供了可行性答案

2

加速器质谱计(AMS)

AcceleratorMassSpectroscope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2加速器质谱计(AMS)离子源串列静电分析和开关磁北京大学加速器质谱计1992建成，1993年投入工作北京大学加速器质谱计

核素分辨能力核素分辨能力3

14C-射线计数法与AMS法的比较

现代样品

6万年前样品10万年前样品放射性AMS放射性AMS放射性AMS样品量1克1mg

几克

2-5mg100mg计数/分13.7720

0.058

0.70.24本底1.6几个/天

1.6几个/天1.6几个/天误差50年25年

1800年

500年2500年所需时间12小时15分

4天

2小时1天314C-射线计数法与AMS法的比较现代样品6万4

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1.5×106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等4超灵敏质谱方法的应用特点：应用范围1可用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5AMS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1）耶苏裹尸布年代考察（AMS）（83页）2）冰人（IceMan）1991年在阿尔卑斯山中发现，与现代人不同，引起轰动。取了骨骼和臀部肌肉20-30mg，用加速器质谱计测量14C的含量的结果表明冰人生活年代3350-3300BC56%现在认为公元前3350-3100年3210-3160BC36%与历史发展（铜器时代）吻合3140-3120BC8%2）冰人（IceMan）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3）我国夏商周断代工程前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日前1000年前2000年前3000年10002000前841

四人类文明史的精确考察—14C测定年代WilladLibby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。114C测年的创立四人类文明史的精确考察—14C测定年代WilladL2）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。2）经费问题基本思想：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

0.156MeV放射性衰变规律D=D0e-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=3.95

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

1)

14C的产生与平衡

n+14N14C+p

14C14N++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270Bq/kg3利用14C衰变测年代基本假设如何知道过去的D01)14C的产生与平衡3利用14C衰变测年代基本假2)基本假设天然C样品的放射性270Bq/kg，从过去几万年前到现在没有变化，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。2)基本假设放射性14C方法可以直接确定古老木料皮肤四,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1-5g纯碳或者25-1000g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。怎样减少样品用量和提高效率？四,加速器质谱计-超灵敏质谱方法1问题的提出和解决怎样减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=610-7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核，但灵敏度达不到，效率很低。2）解决问题的思考能不能直接测量样品中14C原子核的数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12C13C14C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。3）核物理实验技术的发展提供了可行性答案

2

加速器质谱计(AMS)

AcceleratorMassSpectroscope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2加速器质谱计(AMS)离子源串列静电分析和开关磁北京大学加速器质谱计1992建成，1993年投入工作北京大学加速器质谱计

核素分辨能力核素分辨能力3

14C-射线计数法与AMS法的比较

现代样品

6万年前样品10万年前样品放射性AMS放射性AMS放射性AMS样品量1克1mg

几克

2-5mg100mg计数/分13.7720

0.058

0.70.24本底1.6几个/天

1.6几个/天1.6几个/天误差50年25年

1800年

500年2500年所需时间12小时15分

4天

2小时1天314C-射线计数法与AMS法的比较现代样品6万4

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1.5×106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等4超灵敏质谱方法的应用特点：应用范围1可用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5AMS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