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放射性碳素的革命
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李伯谦所言不虚,如果没有14C测年技术的支持,要想进行远古文明的准确断代几乎是不可能的。
正因为如此,夏商周断代工程在启动之初,就将14C测年技术列于工程的课题之中,并且将这门技术看成工程成败的最为关键的项目之一。
14C测年技术是放射性碳素断代技术的简称。
自1949年这项技术发明以来,已成为现代考古学应用最为广泛的一种测定年代的方法。
这种技术应用于考古学之后,使全世界的史前年代学研究进入了一个崭新的阶段。
为此,学术界将14C测年技术的发明和应用称为“放射性碳素的革命”
。
要对14C测年技术原理做简单明了的介绍,并不是件容易的事情。
其基本原理是:宇宙射线同地球大气发生作用产生中子,中子又同大气中含有的氮(氮14)发生核反应,从而产生了放射性同位素碳14(14C),14C与氧结合形成14CO2,并牢固地混合于空气的二氧化碳中。
在地球上生存的植物通过光合作用,会不断地从大气中吸收包括14C在内的二氧化碳。
由于人和动物都直接或间接地依赖植物生存,因此所有生物体内都含有14C,并且这种14C的浓度与当时大气中14C的自然浓度维持着一种平衡关系。
但是,生物体一旦死亡,机体与大气之间的循环交换立即停止,体内残留的14C便不再有新的补充,只能按衰变规律减少。
按照已知的衰变规律,科学家精确地计算出,14C是按照每5730年衰变一半的时间节律自行与日递减。
因此,无论是植物还是动物,当机体死亡之后,只要测出标本中14C减少的程度,就可以推算出其死亡的年代。
换言之,一切死亡的生物残体中的有机物以及未经风化的骨片、贝壳等都可以用14C来测定具体年代。
1949年3月,当《科学》杂志公布了第一次利用放射性碳素测定的年代数值时,立即引起了整个考古学界与地质学界的瞩目,人们在称赞这项新的重大科学发明取得成功的同时,也向它的创始人利比教授投去了敬佩、感激的目光。
从中国14C测年专家仇士华、蔡莲珍所做的介绍中可知,利比(1908—1980年)早年在美国著名的贝克莱实验室从事开创性的放射性研究工作,他是美国最先设计制作G-M计数管和BF3计数管的科学家,在从事计数管的研究中,他发现了许多放射性同位素。
1936年,当科学家卡门利用加速器粒子轰击发现并分离鉴定了放射性同位素14C时,利比就敏锐地注意到了这门新兴的科学。
1939年,另一位科学家柯夫精心研究宇宙射线和大气的相互作用后指出,宇宙射线中子的最终产物是14C,并计算出自然的142s,利比对这项研究给予了高度关注,并同柯夫进行了一段时期的合作。
就在这个时期内,利比的脑海中形成了要利用自然14C来测定古物年代的伟大构想。
第二次世界大战期间,利比前往哥伦比亚大学,参与并解决了热扩散浓缩铀同位素技术中的关键问题。
二战结束后,利比出任芝加哥大学教授,开始将他心中酝酿已久的伟大构想付诸实施。
在这段过程中,他首先从理论上证明自然界14C的普遍存在并达到平衡状态的真实性,同时从实验中提炼出14C开始的时候,利比对研究的目的守口如瓶,秘而不宣,但为了寻求经费的支持,经过再三考虑,他才于1946年圣诞晚会上将目的透露出来。
消息传到考古学界,立即引起了具有远见卓识的维金基金会主持人的重视,基金会主动为他提供了科研基金。
在这笔丰厚资金的支持和众多考古学家的鼓励下,经过三年的努力,利比终于顺利地解决了14C年代测定的理论和实验问题,成功地创建了14C年代测定方法,这一方法逐渐为考古学界、地质学界所接受,从而成为确定旧石器晚期以来人类历史年代的有力工具。
为此,利比荣获了1960年诺贝尔化学奖。
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