2碳14测年法说课材料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 第四纪年代学,Chapter 8,Quaternary Geochronology,C,第一节 放射性碳测年法,Section 1 Radioactive Carbon Dating,C,1.,14,C,测年的 基本原理,（1）,自然界的碳同位素,14,C,测年法是由美国放射性化学家,W.F.Libby（,利比）1949年首创的。由于他在,14,C,测年方面的杰出贡献，,1960年,获得诺贝尔化学奖。,14,C,方法是第四纪年龄测定的主要方法之一，测年精度很高。,碳在自然界有3种同位素：,12,C（98.8%),13,C（1.108%）,14,C（1.2,10,-10,%）,放射性同位素，主要产生于高空大气层。,稳定同位素,在高空大气层，由于宇宙射线的冲击，产生一些热中子和电子等多种粒子。,宇宙射线,热中子,电子,其它粒子,热中子运动很缓慢,能量在0.03电子伏特数量级。相对而言，还有“快中子”，能量在1.1兆电子伏特以上。中子不带电，且有一个质量单位。,冲击概率恒定,(2),14,C,的产生,宇宙射线的主要成分为质子,(83%,89%),、,粒子,(10%,15%),及原子序数,Z3,的轻核和高能电子,(1%,2%),，这种射线能量很高，可达,1020M,eV,以上。,宇宙射线,是一种来自宇宙的能量特别大的带电粒子流。,1912,年，德国科学家韦克多,汉斯带着,电离室,乘气球升空测定空气电离度，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人取名为“宇宙射线”。,太阳系是在圆盘状的银河系中运行的，运行过程中会发生相对于银河系中心位置的位移，每隔,6200,万年就会到达距离银河系中心的最远点。而整个“银河盘”又是在包裹着它的热气体中以每秒,200,公里的速度运行。“银河盘并不像飞盘那样圆滑,”,，科学家称，“它是扁平的,”,。当银河系的“北面”或前面与周围的热气摩擦时就会产生宇宙射线。,宇宙射线的产生,宇宙射线还存在着转化、簇,(,醋,),射的过程。除中微子以外，几乎所有的高能宇宙射线，在穿过大气层时都要与大气中的氧、氮等原子核发生碰撞，并转化出次级宇宙线粒子，而超高能宇宙线的次级粒子又将有足够能量产生下一代粒子，如此下去，一级一级的转化，将会产生一个庞大的粒子群。,1938,年，法国人奥吉尔在阿尔卑斯山观测到了这一现象，并将其命名为“广延大气簇射”。,宇宙射线为来自太阳系以外的高能量粒子，能量约从,10,9,eV,到,10,20,eV,以上。在靠近地球的太空中，每秒每平方厘米约有一个宇宙射线穿过。宇宙射线的主要成份是质子，其它核种从氦核到铁核以上，甚至微量的镧系元素。在人造粒子加速器中其最高能量约为,10,13,eV,。宇宙射线的能谱横跨,12,个数量级的能量。能谱上有两个有重要物理意义的转折点，,10,15,eV,称为膝点,(knee),，,310,18,eV,称为踝点,(ankle),。极高能宇宙射线,(Ultra High Energy Cosmic Rays:UHECR),主要研究,10,18,eV,以上的宇宙射线。,大气中有很多氮（大气中氮78.09%，氧20.95%，氩0.93%容积的99.9%，质量的99.95%），热中子和氮原子碰撞，使氮原子转变为,14,C,原子：,14,N,7,+,1,n,0,14,C,6,+p(,1,H,1,),大气氮,热中子,放射性碳,质子,质子,中子,质子,中子,氮,碳,14,C,是一种放射性同位素，一旦形成，便发生衰变：,14,C,通过第一式不断产生，通过第二式不断衰变。,思考：,A.,在,14,C,6,产生和衰变的最初一段时间，,14,C,6,产生与衰变的速度（单位时间内衰变的,14,C,6,原子数）如何？,B.,经过一段时间后，,14,C,6,产生与衰变的速度又如何？,C.,当,14,C,6,产生的速度与衰变速度相等时，大气中,14,C,6,的浓度如何？,14,C,6,14,N,7,+,e,-,+,+Q（,14,C,6,衰变）,14,N,7,+,1,n,0,14,C,6,+p（,14,C,6,产生）,1,2,电,子,反中微子,最大衰变能量,(3),14,C,的衰变,有一个流浪汉，每天得到,100,元救济款，但此君每天都花掉所拥有钱数的,1/2,，在救济开始的第一天之前，此君手中的钱数是,0,，濒于饿死。,第,1,天 得到,100,元 存款,100,元 花掉,50,元 剩余,50,元,第,2,天 得到,100,元 存款,150,元 花掉,75,元 剩余,75,元,第,3,天 得到,100,元 存款,175,元 花掉,87.5,元 剩余,87.5,元,第,4,天 得到,100,元 存款,187.5,元 花掉,93.75,元 剩余,93.75,元,第,5,天 得到,100,元 存款,193.75,元 花掉,96.875,元 剩余,96.875,元,第,6,天 得到,100,元 存款,196.875,元 花掉,98.4375,元 剩余,98.4375,元,第,7,天 得到,100,元 存款,198.4375,元 花掉,99.21875,元 剩余,99.21875,元,第,8,天 得到,100,元 存款,199.21875,元 花掉,99.609375,元 剩余,99.609375,元,第,9,天 得到,100,元 存款,199.609375,元 花掉,99.8046875,元 剩余,99.8046875,元,第,10,天 得到,100,存款,199.8046875,花掉,99.90234375,元 剩余,99.90234375,元,等比级数的前,n,项和,S,n,=2-,1,2,n,-1,最后，此君手中有,100,元，每天得到,100,元，花掉,100,元,上述问题是一个等比级数问题，,Money,=50,2,n,-1,1,n,=1,50+50/2+50/4+50/8+50/2,n-1,+,当大气中,14,C,6,产生的速度与衰变速度相等（动态平衡）时，大气中,14,C,6,的浓度是一定值。,14,C,6,在高空形成以后，很快被氧化成,14,CO,2,，,并均匀分布在大气圈中（注意，大气中,氧,很丰富，约占20.95%）。,(4)碳 循 环,植物,光合作用,吸收,CO,2,放出,O,2,14,C,食草动物,14,C,食肉动物,14,C,吃 饭,喝 水,吃水果,14,C,大气中的另外一部分,14,C,随,CO,2,溶于水，其中,一部分,形成含有,14,C,的碳酸岩,(,例如,Ca,14,CO,3,),或重碳酸岩（,Ca(H,14,CO,3,),2,），,另一部分,被海,洋生物吸收。,14,C,陆地上的生物死亡以后，或水中的物质沉积以后，都释放出,CO,2,进入大气（注意，其中一部分为,14,CO,2,）。这样，随着大气圈、水圈、生物圈中的碳交换，最终使,“三圈”,中的,14,C,浓度保持着平衡,。,14,C,14,C,(5),14,C,的自然衰变,当生物死亡或碳酸岩沉积之后，如果被迅速埋藏，那么，生物体内或碳酸岩内部的,14,C,与外界的交换便停止下来。其内部的,14,C,浓度随时间按指数规律减少：,I=I,o,e,-,T,I,经过时间,T,后的,14,C,浓度,I,o,14,C,的初始浓度（生物死亡时的浓度），,规定为100%,T,时间（年）,e,常数,注意,：,上述衰变过程不受任何外界环境的影响,！,随着时间的增长，,14,C,的浓度越来越小,。,剩余的,14,C,活度/%,放射性碳衰变曲线,I=I,o,e,-,T,5568,14,C,衰变公式：,I=I,o,e,-,T,（1）,将（1）式两边同乘以,e,T,，,并同除以,I,，,得到：,e,T,=,I,o,I,已知,14,C,的半衰期为5568,30年，从而得出常数项为：,1,lg,e,=18.5,10,3,（,年）,等式两边取以10为底的对数：,T,lg,e,=lg,I,o,I,所以，,T,=,1,lg,e,lg,I,o,I,常数,（2）,因此有：,T=lg,18.5,10,3,(,年),I,o,I,（3）,上式中初始值,I,o,为已知，一般取现今大气中,14,C,的浓度。只要测得样品中的,14,C,浓度,I,，根据（3）式就可以确定样品的年龄。,这时现有的仪器几乎测量不出来，所以，,14,C,方法可以测定的最老年龄为5万年。,最近，利用加速器加速,14,C,，可以测定,67万年,的老样品。,lg,=3,=1000,即样品中的,14,C,浓度减小到原来,1/1000,。,I,o,I,I,o,I,由（3）式可以看出，经过10个半衰期以后（即,T,=,55680年）,2.,14,C,测年的假设条件,假定在可测定年龄的时间内（即7万年以来），大气圈中的,14,CO,2,浓度为一常数（即等于现在大气层中的,14,C,浓度）。,假定生物死亡或碳酸岩沉积之后，保存于封闭环境，不与外界发生,14,C,交换。,思考,如果有交换，结果如何,?,在现在生活的树木中，,12,C,13,C,14,C,=,98.9,1.1,1.0710,-10,，,这个比值称为碳活动性常数。,近代核武器爆炸会增加大气中,14,C,的浓度。1963年大量核武器爆炸，使,14,C,C,增加了90%。,工业废气及汽车尾气中的,CO,2,，,化石燃料和碳水化合物燃烧排放的,CO,2,，,会稀释大气中,14,C,的浓度。尤其18501954年的工业革命，化石燃料的燃烧使,12,C,浓度大大增加。,地球磁场强度变化，太阳黑子活动，可以改变宇宙射线流，进而改变大气中,14,C,的浓度。,3.,测定对象,木头及木炭 2560,g,泥炭 200500,g,，一般取1000,g,淤泥 5001000,g,骨头、骨化石 1000,g,贝壳、珊瑚等 200300,g,无机碳酸盐沉积 500,g,石灰华 钟乳石,苏 达 钙结石,天然碱,古石灰 1000,g,象牙 50,g,测定对象,土壤和古土壤 5001000,g,陨石标本 200,g,种子 100,g,古铁器 1000,g,毛发编织物 100,g,其它 空 气,海 水 地下水,土壤水 冰 雪,谷粒 硬果壳 细枝,草 布 纸 25,g,兽皮,（3）新技术,加速器质谱仪（,Accelerator Mass Spectrometry,，简称,AMS,）1977,年开始，,直接计数,14,C,原子数，而不是计数在衰变过程中产生的少量,粒子。,优点,：,加大了测量范围；,灵敏度的增加 使样品用量减少到原来的1/1000。,IS,离子源,EL,单透镜,PA,预加速段,ST,导向器,SL,缝,FC,法拉第杯,GL,间隙透镜,IM,注入磁铁,DM,双注入磁铁,BPM,束流抛面仪,EQ,静电四极透镜,MQ,磁四极透镜,AM,分析磁铁,BM,偏转磁铁,ESD,静电分析器,DT,探测器,北京大学加速器质谱计装置示意图,串列,AMS,系统,离子源、注入系统、串列加速器、高能分析系统、重离子探测器、数据获取系统,EN,型串列静电加速器,北京大学的,AMS,离子源是一台,40,靶位铯溅射负离子源。,被测样品经制备转换成石墨，装入离子源靶座内。,离子源引出,20,A,的,12,C,-,离子流。,注入系统对离子源引出的束流进行质量分析。,在注入磁铁的两端设有间隙透镜，其间的真空盒对地绝缘。,在真空盒上施加周期变化的高压，可以调节通过磁场的离子的能量，从而使碳的不同同位素的离子顺序地交替注入到加速器中去。,EN,型串列静电加速器,DM,双注入磁铁,BPM,束流抛面仪,EQ,静电四极透镜,MQ,磁四极透镜,AM,分析磁铁,BM,偏转磁铁,ESD,静电分析器,DT,探测器,IS,离子源,EL,单透镜,PA,预加速段,ST,导向器,SL,缝,FC,法拉第杯,GL,间隙透镜,IM,注入磁铁,北京大学加速器质谱计装置示意图,EN,型串列静电加速器,DM,双注入磁铁,BPM,束流抛面仪,EQ,静电四极透镜,MQ,磁四极透镜,AM,分析磁铁,BM,偏转磁铁,ESD,静电分析器,DT,探测器,IS,离子源,EL,单透镜,PA,预加速段,ST,导向器,SL,缝,FC,法拉第杯,GL,间隙透镜,IM,注入磁铁,北京大学加速器质谱计装置示意图,北大的,AMS,加速器为,EN,型串列静电加速器，其高端电压为,6MV,。,加速器高压头部装有电子剥离器，注入的负离子经剥离后转变为正离子。,进行,14,C,测量时，端电压一般选用,3MV,，,此时选择,3+,电荷态，可以得到较高的剥离效率。,EN,型串列静电加速器,DM,双注入磁铁,BPM,束流抛面仪,EQ,静电四极透镜,MQ,磁四极透镜,AM,分析磁铁,BM,偏转磁铁,ESD,静电分析器,DT,探测器,IS,离子源,EL,单透镜,PA,预加速段,ST,导向器,SL,缝,FC,法拉第杯,GL,间隙透镜,IM,注入磁铁,北京大学加速器质谱计装置示意图,在高能分析系统中，经过主分析磁铁后，不同同位素的离子束流的路径分开，稳定同位素的离子流进入旁侧法拉第杯，,14,C,离子则继续经过静电分析器后进入探测器。,PKU,AMS,使用的是,E,-,E,气体探测器，探测器输出的粒子能量信号被送入数据获取系统进行处理。,14,C,测量,E,-,E,r,双参数谱,14,C,测量双参数谱,图中纵坐标为,E,能谱的道数，横坐标为,E,r,能谱的道数，黑点为探测到的粒子，小方框为设定的,14,C,窗口，其中的粒子为,14,C,。,通过设置,14,C,探测窗口，可以只对,14,C,计数，而排除其它干扰。,（4）树轮校正,树轮提供了,14,C,含量每年变化的记录校正放射性年表。,利用树轮校正曲线，可以把放射碳年龄校准为1950年前的,日历,年龄,(Cal.),。,放射性碳的起算年龄为,1950,年(如1200,B.P.),树木年轮,(tree-ring),的环境意义,树木的年轮是树木周期性生长的结果。,植物的生长受温度和湿度的影响；气候条件不同，植物的生长速度就不同，因而年轮的宽度也不同。,树木年轮宽度的变化反映了气候变化。,如,1982,年美国圣,海仑斯火山爆发影响树轮生长,(3-5,年未见生长年轮,),。,根据树轮,13,C,和木材最小密度重建的黄陵,6,月气温,(,黑线为重建值,;,红线为实测值,),当树轮年龄-,14,C,年龄=0 时，黑线表示样品的真实年龄。,蓝线偏离黑线代表,14,C,的半衰期为556830年的情况下，3%的年龄误差。,剩下的蓝线和,曲线,之间的偏离反映过去,14,C,产率的变化和海洋与大气之间,14,C,可能的交换。,全新世树轮校正曲线,全新世树轮校正曲线,全新世树轮校正曲线,不一致的原因：,长周期的峰谷变化表示影响宇宙射线通量的地磁场强度的变化；,短的100200年的周期性波动表示太阳活动对宇宙射线通量的调控；,10%20%之间的年龄差别是由于碳储存库大小的改变和他们之间交换速率变化造成的。,5.,采样方法,挖开浮土，采集新鲜（未被污染）样品。,如从同一剖面的不同层位采集多个年龄样，应从下向上逐个采集。,注意不要采集已受污染的样品，采集后马上用塑料袋密封。防止与含碳的物质（如纸、布等）。,如果样品潮湿，短期内又不能送实验室测定，必须就地晾（晒、烘）干，防止发霉。,思考题：,1.,14,C,是如何产生的,？,2.,14,C,的衰变规律如何？是否受周围环境影响？,3.当,14,C,的产生速度与衰变速度相等时,“,三圈”中,14,C,的浓度如何？,4.,14,C,测年的起始年限是哪一年，为什么？,