甚麼是碳 14 年代測量 / 放射性碳定年法? 原理解說

為了不要讓敘述變得冗長，以下一律簡稱為我們慣用的「碳14測量」。在繼續解說前，必須要簡單解釋一下中學水平的化學概念：「同位素」和「半衰期」，在地球上每一種物質的原子核中，都有獨一無二質子數目。元素周期表上的次序，就是按質子數目來排列。化學上原子核中的質子數目一樣，就會被認定為同一種元素。而原子核就由中子和質子組成，而日常中，大多數物質都處於質子和中子數目相同或很相近的穩定狀態。

以今集的主角碳為例，地球上98.9% 的碳，都是由6粒質子和6粒中子組定，即「碳12」。至於同位素，就是同一物質的原子核中，有住不同的中子數目。「碳14」就是由6粒質子和8粒中子組定。雖然同樣是碳，具有相同的化學性質，但原子質量存在差異，而且同位素大多具有放射性。至於放射性物質，都會隨時間不斷衰變回穩定狀態。當放射性物質數量減半，這週期就稱為「半衰期」。所以簡單來說，透過測量物質中的同位素衰變比例，就大概能得出該樣本的年份。在云云眾多的物質同位素中，為何我們會選擇測量碳？這主要有幾大原因：

首先在地球上大部分的東西，由有機生物體、某些岩石、就連大氣層中都存在大量的碳，而有機體都是由大比例的碳組成，所以測量碳研究對於生物遺骸和化石尤其重要。第二是碳14的形成過程。剛才說過地球上98.9%的碳都是穩定的「碳12」，1.1%為穩定的「碳13」。而「碳14」大約只佔兆分之一。它是由宇宙射線不斷地衝擊地球外大氣層中的氮，把穩定的「氮14」中的一粒質子踢走，從而轉化成不穩定「碳14」。

由於宇宙射線對地球的衝擊相當穩定，因此不管「碳14」如何衰變，地球大氣中的碳 14 與碳 12 的比率都幾乎接近恆定水平。雖然由地球磁場的波動到太陽週期，都會影響宇宙射線的數量，但這些都是可測量和可預計得到得誤差。這個接近恆定水平又為測量提供了一個穩定的基礎。

第三是位於食物鏈底層的生物，例如植物和藻類會透過進行光合作用來使用大氣層中的碳，所以它們體內的碳 14 與碳 12 的比例，大致與大氣相同。然後這個比例會沿著食物鏈一直上升到頂級捕食者，如鯊魚、老虎或人類。所以生物都有著差不多的碳同位數含量比率。

在基礎概念中提過，放射性物質都會隨時間不斷衰變回穩定狀態。不穩定「碳14」也會慢慢地衰變回穩定的「碳12」，「碳14」的半衰期為5,730年，正負誤差約30年，即代表碳14的含量每過 5730 年就會減一半；再過一個週期，11,460年就會減少至四分之一；17,190年後就會變成八份之一……

如此類推，最終會變成小至不能測量，所以「碳14」檢測的極限大約只有 5至6 萬年前左右。以有機物為例，當生物生命結束，氣體交換過程停止時，生物遺體中的碳 14 與碳 12 的比率就會開始下降，不穩定的碳 14 會隨時間變得越來越少。於是科學家便可以透過測量碳 14 同位素的比率，來推算是有機物遺骸的年份。這大概就是「碳14」測量的基礎原理。

雖然測量碳14的方法是相當可靠，但嚴謹的科學當然不能只倚賴單一的數據。考古鑑定結果往往會考慮多個不同的考古年代測定方法，例如地層年代，比對附近化石檢測結果的一致性。科學家甚至可以測量樹木化石中，每一個年輪的碳14含量。從而得出更細緻的數據來比對周遭化石的推算結果。當然還能夠以其他的放射性定年法來作比較。碳14 的測量極限只有5至60,000年，更古老的化石就可以使用其他的放射性定年法：例如「鈾鉛定年法」，鈾235的半衰期就有7億年，而鈾238 就更長達45億年，這方法可以測量大約100萬年到超過45億年前，而每一種放射性定年法，都只適用於某些特定的物質或條件上。

關於這些放射性定年法，日後有機會再介紹。最後對於未來的考古學家而言，測量碳14 這個方法恐怕未來都不能再用。剛才提過不論宇宙運動如何改變，地球大氣中的碳 14 與碳 12 的比率，都幾乎接近恆定水平。然而因為人類活動，由二戰後的核試到現在瘋狂碳排放，都已經嚴重破壞了大氣中這個一直以來都非常穩定的碳 14 比率水平，令未來的考古學家都失去了這個穩定的測量基礎，看來我們又弄壞地球一個範疇了！