知识拓展　碳钟——化学动力学在考古中的应用

化学动力学是一个应用非常广泛的科学领域。面对考古挖掘物，考古工作者首先要解决的问题是如何准确地测定出它们存在的年代。自从20世纪发现了放射性元素和它蜕变成的同位素后，科学家们又找到一种大自然的钟表——放射性的14C。碳的同位素主要是稳定同位素12C、13C及具有放射性的14C。科学家们用放射性碳这一先进技术解决了考古挖掘物测定年代的问题。

地球上的大气永恒地承受着穿透能力极强的宇宙线照射。这些射线来自于外层空间，它是由电子、中子和原子核组成的。大气与宇宙线间的重要反应之一是中子被大气中的14N捕获产生了放射性的14C和氢：

放射性的碳原子最终生成了14CO2，它与普通的二氧化碳12CO2在空气中混合。同位素14C蜕变放射出粒子，其蜕变速率由每秒放射出的电子数来测定。蜕变为一级反应，其速率方程式为：v=kN或

k为一级反应的速率常数；N0为初始时14C的核数；N为时间t时的14C的核数。

含有14C的CO2通过光合作用进入植物体内，14C同位素进入了生物圈。人和动物吃了植物，在新陈代谢中，又以CO2的形式呼出14C。因而导致14C以多种形式参与了碳在自然界中的循环。因而减少了的14C又不断地被大气中新产生的14C补充着。在蜕变补充的过程中，建立了动态平衡。因此14C与12C的比例在生命体内保持恒定。当植物或动物死亡之后，其中的14C不再得到补充。由于14C蜕变过程没有终止，死亡了的生命中14C所占的比例将减少。在煤、石油及其他地下含碳的材料中，碳原子也发生着同样的变化。如多年之后的干尸（木乃伊）中14C核与活着人们的体内14C与12C的比例随着年代的增长成正比地减少。大约平均每过5730年，14C含量会减少一半，像这种当反应物浓度减少为原来浓度的一半时，所需要的时间叫做放射性同位素的半衰期。

当　　则有：

1955年，W.P.Libby（美国化学家）提出，这一事实能用于估算某特定样品在没有补充14C的情况下，14C同位素已经蜕变的时间。

若已知新、旧样品的蜕变速率v，就能计算出t，即旧样品的年龄。这种独创性的技术是以极简单的概念为基础的。W.F.Libby奠定了这一技术的基础，为此他荣获了1960年的Nobel化学奖。

“14C测定年代法”的成功与否，取决于能否精确地测量蜕变速率。在活着的生物体内14C/12C为1/1012，14C的量如此之少，所用仪器的检测器对放射性蜕变要特别灵敏。对年代久远的样品来说，要达到较高的精确度就更加困难。尽管如此，这一技术已成为考古学中判断古生物年龄的重要方法，可以用来判断远离现在1000～50000年之久的生物化石、绘画和木乃伊等，但对于年代更久远的出土文物，如生活在五十万年以前的周口店北京猿人，利用14C测年代法是无法测定出来的。