自然界中碳元素有三種同位素，即穩定同位素12C、13C和放射性同位素14C，14C的半衰期為5730年，14C的應用主要有兩個方面：壹是在考古學中測定生物死亡年代，即放射性測年法；二是以14C標記化合物為示蹤劑，探索化學和生命科學中的微觀運動。 壹、利用宇宙射線產生的放射性同位素碳——14來測定含碳物質的年齡，就叫碳——14測年。已故著名考古學家廈鼐先生對碳——14測定考古年代的作用，給了極高的評價：“由於碳——14測定年代法的采用，使不同地區的各種新石器文化有了時間關系的框架，使中國的新石器考古學因為有了確切的年代序列而進入了壹個新時期。 那麽，碳——14測年法是如何測定古代遺存的年齡呢？ 原來，宇宙射線在大氣中能夠產生放射性碳——14，並能與氧結合成二氧化碳形後進入所有活組織，先為植物吸收，後為動物納入。只要植物或動物生存著，它們就會持續不斷地吸收碳——14，在機體內保持壹定的水平。而當有機體死亡後，即會停止呼吸碳——14，其組織內的碳——14便以5730年的半衰期開始衰變並逐漸消失。對於任何含碳物質，只要測定剩下的放射性碳——14的含量，就可推斷其年代。 碳——14測年法分為常規碳——14測年法和加速器質譜碳——14測年法兩種。當時，Libby發明的就是常規碳——14測年法，1950年以來，這種方法的技術與應用在全球有了顯著進展，但它的局限性也很明顯，即必須使用大量的樣品和較長的測量時間。於是，加速器質譜碳——14測年技術發展起來了。 加速器質譜碳——14測年法具有明顯的獨特優點。壹是樣品用量少，只需1～5毫克樣品就可以了，如壹小片織物、骨屑、古陶瓷器表面或氣孔中的微量碳粉都可測量；而常規碳——14測年法則需1～5克樣品，相差3個數量級。二是靈敏度高，其測量同位素比值的靈敏度可達10-15至10-16；而常規碳——14測年法則與之相差5～7個數量級。三是測量時間短，測量現代碳若要達到1%的精度，只需10～20分鐘；而常規碳——14測年法卻需12～20小時。 正是由於加速器質譜碳——14測年法具有上述優點，自其問世以來，壹直為考古學家、古人類學家和地質學家所重視，並得到了廣泛的應用。可以說，對測定50000年以內的文物樣品，加速器質譜碳——14測年法是測定精度最高的壹種。 1.碳14是碳的壹種具放射性的同位素，於1940年首被發現。它是透過宇宙射線撞擊空氣中的氮原子所產生，其半衰期約為5，730年，衰變方式為β衰變，碳14原子轉變為氮原子。 2. 由於碳14半衰期達5，730年，且碳是有機物的元素之壹，生物在生存的時候，由於需要呼吸，其體內的碳14含量大致不變，生物死去後會停止呼吸，此時體內的碳14開始減少。人們可透過傾測壹件古物的碳14含量，來估計它的大概年齡，這種方法稱之為碳定年法。 （壹）斷代原理 自然界存在三種碳的同位素，它們的重量比例是12：13：14，分別用碳-12（C12）；碳-18（C18）；碳-14（C14）表示，它們的含量比例是98.9：1.1：10-10 。前二者是穩定同位素，只有碳-14有放射性，亦稱放射性。碳C14放射β粒子後蛻變為N14，半衰期為5730±40年，反應式為:C14→N14+β壹。 C14的半衰期只有五千多年而地球存在已有數十億年，自然界卻存在著保持壹定水平的放射性碳元素，為使 C14的產生和衰變處於平衡狀態，保持壹定水平，必然存在著壹種源泉。這個來源就在大氣高空層，在那裏，宇宙射錢中子和大氣氮核作用生成C14。發現這壹自然現象並用實驗加以證實的是C14法創始人利比(W.F.Libby)。他從宇宙射線和人工核反應的研究中得到啟發，認為自然界存在生成C14的條件，有可能檢測出來.經過仔細考查計算，並在實驗中解決了低能量低本底測量上的技術問題，測出了自然C14。由此建立了C14測定年代的方法。 最初，外來的宇宙射線與大氣作用產生宇宙射線中子。宇宙射線中子和大氣中氮核起核反應產生碳-14: 0n1+7N14→⒍C14+1H1 這壹反應都在高空完成，新生碳原子在大氣環境中不能遊離存在很久，壹般都與氧結合生成C14O2分子，C14O2和原來存在於大氣中的CO2化學性能是相同的，因此必然與原有CO2混合參加自然界碳的交換循環運動。 植物通過光合作用將CO2結合成植物組織，動物依植物為生，這就使生物界都混入了C14.動物通過排泄，死亡，植物通過腐爛，沈積，進入表層土壤而使C14進入土壤，大氣與廣大海面接觸， CO2又與海水中溶解的碳酸鹽和CO2進行交換，因此海水、海生物及海底沈積物中都含有C14。所以，凡是和大氣中的CO2進行過直接或間接交換的含碳物質都包含C14。 這種產生C14的自然現象存在已久，同時C14按5730年半衰期衰變減少，這類碳中C14水平必然會到達平衡值。由於碳在自然界的交換循環相當快，處於與大氣互相交換的各種物質在名地的C14水平基本上是壹致的。 利用這種到處都 存在C14的自然現象就可以用來斷代。例如陸地生物、海洋生物在生命過程中由於同大氣經常交換，衰變掉的C14經常能得到補充，但壹旦停止了交換（如死亡、沈積），其C14就再得不到補充，C14水平因衰變而降低，每5730年降為原有水平的壹半值。因此測量標本現存的C14放射性水平和它原始放射性水平相比較，就可以算出死亡或停止交換的年代，當然，幾千年或幾萬年前處於交換狀態的動植物的放射性水平是無法測知的，但若假定這種產生C14的自然現象幾萬年來都沒有什麽變化，就可以用現在世界各地處於交換平衡狀態的動植物放射性水平，作為標本的原始放射性水平，即所謂“現代碳”放射性標準。 放射性衰變規律可用數學式表示，標本年代的計算公式如下： A=τln No/NA A： 標本年代 τ：C14平均壽命 NA：標本現有放射性 No：標本原始放射性 C14平均壽命是壹個常數，由實驗測定，測出No、NA即可計算出標本年代。 這就是C14斷代的原理，由於這壹方法所依據的是原子核的變化。這種變化不受周圍環境的物理、化學條件的影響，而C14半衰期（5730年）正適用於對幾千年到幾萬年的標本進行斷代。另外，壹些含碳的物質，如木、草、骨、貝殼等動植物遺骸在古代遺址中普遍存在，因此，C14法自1950年建立起，就成為有力的斷代手段而廣泛應用於史前考古學和第四紀晚地質學。 （二）測量技術 C14測定年代方法在技術上不同於壹般放射性同位素測量，它的特點是放射性強度弱，能量低，自然碳中C14含量僅為1.2×10壹10 %，每克碳的放射性強度僅幾微微居裏，即每分鐘約有10 多個原子衰變，標本的年代越久遠，放射性還會迅速降低，如二萬年以上的標本，其計數率就會降到每分鐘壹次以下.針對這種情況，必須專門設計低本底低能量β射線的高效率探測器，把標本中的碳制備成探測器的組成部分，並在特制的屏蔽室中進行測量.如氣體法將標本碳全部轉成計數管中的計數氣體，液體法則全部轉成閃爍液的溶劑，這些基本要求就決定了C14年代測定必須要有壹個完備的實驗室，包括設有化學處理，標本制備的系統，完善的屏蔽設備，特制的探測器和能長時間工作而又穩定的電子測量系統，並且經過精心的操作才能保證數據準確可靠.
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