导言：
碳14定年法像一把时间的尺子，考古学家在缺少有效信息的情况下借助它仍然可以判断文物的大致年代。拨开黑暗的迷雾，揭露隐藏的秘密，碳14定年法的发明对于考古学具有极其重要的意义，本文作者主要介绍了碳14定年法的发明以及它的发明者威拉德·利比（Willard Frank Libby，1960年诺贝尔化学奖者）的故事。
撰文 | 王鑫 （北京大学应用化学系）
责编 | 艾维
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碳14定年法是利用自然界中广泛存在的放射性同位素碳14作为标记物，用以确定历史上曾经存活过的动植物年龄的一种方法。碳14作为碳的一种同位素，广泛存在于大气、海洋和所有的生命组织中。当动植物死亡后，其体内不断衰变的碳14（半衰期5,730±40年）因无法得到外界补充而数量逐渐减少，于是可以通过测定死亡样品中残余碳14的含量获知样品的死亡时间。
碳14定年法像一把时间的尺子，考古学家在缺少有效信息的情况下借助它仍然可以判断文物的大致年代。拨开黑暗的迷雾，揭露隐藏的秘密，碳14定年法的发明对于考古学具有极其重要的意义，因此它的发明者威拉德·利比（Willard Frank Libby）获得了1960年的诺贝尔化学奖。
碳14定年法的原理如此简单，以至于让人怀疑为何利比可以凭此获得诺贝尔化学奖。但是当我们回顾那段历史，隐藏在背后不为人知的艰难与坎坷足以证明为何碳14定年法的发明是智慧和汗水的结晶。
自然界中的碳14大多由天然核反应产生，大气中的氮14在宇宙射线的轰击下即可生成具有放射性的碳14。然而在上个世纪三十年代，这一切都需要放射化学家们使用简陋的仪器从零开始探索。
碳14——来自虚空的黑星
上世纪三十年代之初，科学家们已认识到，在同位素表中碳应该还有一个质量为14的同位素。直到1934年，弗朗茨·库里厄（Franz N. D. Kurie）、汤姆·邦纳（Tom W. Bonner）和威廉·布鲁贝克（William M. Brubaker）等人才发现，在云室中利用中子轰击空气时，氮原子（尤其是氮14）会导致质子的反弹轨迹出现。
根据质量守恒定律，他们推测在云室中发生了这样的一个反应：n 14N→1H 14C。
►不同的粒子在云室中留下不同的轨迹
恩利克·费米（Enrico Fermi）的计算也表明这样的一个核反应是可行的，然而由于碳14的放射性极低，并没有明确的实验可以证明碳14确实是存在的。随后塞缪尔·鲁本（Samuel Ruben）在利比的指导下想要通过试验确认这一结论，然而由于实验设计的失误，并没有得到预期的结果。1940年，鲁本和新加入劳伦斯放射实验室（Lawrence Radiation Laboratory,现劳伦斯伯克利国家实验室）的马丁·卡门（Martin Kamen）合作继续进行相关试验。这一次他们使用氘离子束去轰击石墨靶，氘和碳13（石墨中约1%的稳定碳是碳13）发生（d, p）反应产生了足够量可以用来检测的碳14。不过遗憾的是，之后第二次世界大战爆发，试验中止，鲁本在1943年死于一次实验室事故。
碳14的面纱已被摘下，然而它藏身于这无垠星球中的何处呢？抑或只是实验室的珍馐？鲁本和卡门的工作已经证明了碳14的存在，而之前的研究表明氮14受到慢中子轰击时会产生碳14，那么接下来的试验只要能证明大气中存在中子辐射就能说明地球上存在着大量的碳14。
利比和塞尔日·科尔夫(Serge Korff)合作发明了一款灵敏度很高的中子检测器，他们将中子检测器拴在探空气球以探索大气层中究竟有没有中子辐射存在。试验结果出乎人的意料，随着升空高度的增加，中子检测器的计数率越来越高（也就是自由中子的浓度越来越大）。在大约50000英尺（约15000米）的高度，计数率最高，之后随着高度的增加，中子检测器的计数率反而下降。因为自由中子的寿命很短（约15分钟），它不可能穿越大气层来到近地面（自由中子的速度远低于光速），所以它不可能是初级宇宙射线；另一方面，如果中子是初级宇宙射线，那么随着高度的增加，中子检测器的计数率应该会越来越高，而不是在达到一定高度后下降。所以自由中子只有作为初级宇宙射线和大气碰撞反应的产物，上述结果才能够得到合理的解释。
►中子计数率变化曲线[1]
随着高度的增加，初级宇宙射线的强度逐渐增加，而大气的密度则逐渐降低。高度增加之初，宇宙射线强度的增加主导了中子计数率增加的趋势；而达到一定高度后大气层过于稀薄，以至于宇宙射线难以和其发生反应，所以中子计数率反而下降。
碳14库——一个进水放水同时进行的水池
大气层在宇宙射线的轰击下源源不断产生碳14，尽管它们注定要走向衰变。那么在这种情况下，地球上的碳14的浓度会随时间怎样变化呢？通过简单的计算，科学家们发现，只要产生碳14的速度不发生剧烈的变化，地球上碳14的总量在一段时间后总会达到一个平衡。
►碳14浓度变化曲线
（黑色为碳14增加速率，红色为碳14减少速率，绿色为总量的变化趋势）
然而还有另一个问题在等着我们！碳14定年法的一个前提是碳14的浓度在历史的长河中一直保持着相对稳定。但碳14不仅以生物质的形式存在于动植物体内，它更为广泛的存在形式是无机碳，例如二氧化碳和碳酸盐等。广袤的海洋中蕴藏着无穷无尽的水，水中溶解的无机碳和有机碳的总量是生物圈和大气层中碳总量的约30倍。如果大气中的碳14和海洋中的碳14不能够交换达到平衡，那么历史上碳14的浓度将处在一直的波动当中。幸运的是，在过去的数万年中海洋中碳14的浓度一直保持相对稳定（这一假设在1951年才得到真正的确认[9]）。
