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【科學講堂】量度碳14含量 斷定文物「歲數」

2020-06-24
要斷定死海文卷這類物品的「年齡」,「放射性碳年份法」是個常用的方法。 網上圖片要斷定死海文卷這類物品的「年齡」,「放射性碳年份法」是個常用的方法。 網上圖片

長久以來,人們一直致力於更準確地計時,更精準地斷定事件發生的時間和物品的「歲數」。之前就和大家討論過,如何透過更仔細地了解原子、離子這些微小的粒子,來製作更精確的時鐘。那麼較為古遠的物件,比如從西伯利亞挖掘到的早期人骨,我們又怎樣知道它是屬於哪個時代的呢?各位可能早已聽說過「放射性碳年份法(radiocarbon dating)」這個技術;今天就和大家講解一下背後的原理,以及近日有關這個技術的重大發展。

元素放出輻射 衰變成新元素

上一次已經和大家說過,要量度並計算時間,我們需要利用一些固定的重複的現象,例如固定升降的太陽,或是從原子發放出來、頻率固定的輻射。不過,要斷定物品的「年齡」和事件發生的時間,難度可能就更高,因為我們需要確定這些重複的現象,從過去到現在就一直在固定地進行荂F假如這些現象並不是絕對固定重複的,我們就需要知道它們在以往有怎樣的改變。

十九世紀初期,多位科學家如貝克勒和居里夫婦等等,發現和研究的輻射現象,成為了我們確定物品「年齡」的重要工具。他們發現一些現在被稱為放射性元素的物料,會以固定的速度轉化成另外一些元素,而在這個過程之中會放出輻射,比如X光,我們稱之為衰變。

由於這些輻射是來自那些放射性元素的,自然地放射出來,被我們量度到的輻射愈多,就代表存在的放射性元素愈多。假如我們能夠預先清楚地量度出放射性元素衰變的速度,例如每隔多久現存的放射性元素就會減少一半,再加上知道原來放射性元素的數量,那麼我們只需要測量物件現有的放射性元素數量,就可以推斷出中間經過了多少時間了。

這就好比原來我的口袋中有一千塊,而(不知為何)我口袋中的錢每天都會有一半不見了;幾天後我發現口袋堨u有二百五十塊,我們還是可以計算出當中其實過了多少天。

碳14非處處一樣 參照年輪改良方法

如何將這個方法應用到考古文物之上?考古文物例如遠古骨頭和古代工具,大多含有碳這種元素,而大自然之中,一定比例的碳是放射性的,也就是所謂的碳14。碳14主要由來自太空的宇宙射線造成,而它們在大自然中的比例長久以來一直相對固定,也就是由遠古直至現在。

活的動植物由於一直經由呼吸、飲食,從大自然吸取碳14,所以牠們之中的碳14比例也維持在固定的水平。可是動植物在死亡以後,自然不能繼續吸取碳14,因此碳14的數量就會因為衰變而慢慢變少。實驗室中的量度告訴我們,碳14的數量大約每5,700年就會減少一半;在測量了現在的碳14數量以後,我們就可以計算出這個動植物死了多久。

不過,對精益求精的我們,這個碳14的方法還是有改善的空間。這是因為碳14在大自然中的比例,其實並不是絕對的固定:核試、化石燃料的燃燒,都會改變大自然的碳14含量;海洋會吸取更多的碳14,而南半球有較多海洋,因此地球上的碳14含量並不是完全處處一樣。

正因如此,科學家們一直在利用其他的方法,例如參照其他放射性元素衰變的情況、樹木的年輪等,去改良這個碳14年份法,以求令其變得更加準確。最新的結果將會在幾個月內正式發布,但是部分結果,已經被用來更新其他的研究了。■張文彥 香港大學理學院講師

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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