宇宙射线带来的碳-14,历史比想象的更令人惊讶

宇宙射线带来的碳-14,历史比想象的更令人惊讶

宇宙射线带来的碳-14,历史比想象的更令人惊讶

1940年2月27日清晨,化学家马丁·卡门坐在寒冷黑暗的警察局里。警方在加州大学伯克利分校的实验室外逮捕了这位衣冠不整的科学家,他们指控他涉嫌参与前一天晚上发生的一系列谋杀案。

但警方无法确定卡门犯了什么罪,因为这位科学家过去3天一直被关在实验室里,和他的同事——化学家塞缪尔·鲁本一起,做一个把氘粒子投射到一小块石墨样品上的实验。被释放后,卡门回家小睡了一会儿,然后回到实验室,做出了20世纪最重要的发现之一:碳-14同位素。

不可否认的化学

卡门是个神童,1913年出生于多伦多。他是一位非常有才华的音乐家,能很轻易地在演奏小提琴和中提琴之间自如切换,并且很早就高中毕业了。为了支撑自己在芝加哥大学的化学学业,他在芝加哥的许多地下酒吧里兼职演奏音乐。获得博士学位后,他渴望换个环境,于是在加州大学伯克利分校找到了一份工作,进入了著名物理学家E.O.劳伦斯的实验室。

在劳伦斯的实验室里,他遇到了塞缪尔.鲁本,位才华横溢的化学家和拳击手。鲁本一心想解决一个生化难题——科学家们都知道,植物通过光合作用产生氧气,但化合反应的源头是什么?是碳吗?

卡门和鲁本使用实验室的回旋加速器来研究他们的难题。不过他们不得不把实验安排在深夜,因为这是机器唯一的可用时间,白天它被用于优先级更高的项目。通过照射回旋加速器中的大块石墨,他们分离出了碳-14同位素,并永远改变了我们对生命及其基本组成物的理解。

来自宇宙射线的神奇原子

科学家们普遍对元素的同位素特别感兴趣。同位素是一种原子核中质子数相同、中子数不同的孪生原子,也就是相同元素的变体。每个元素的同位素都是根据它的质量数,也就是原子中中子和质子数的总和来命名的。作为地球上构成生命的最基本的四大元素(碳、氮、氢、氧)之一,碳有3种天然的同位素,每种同位素的质量略有不同,分别是12、13和14,因此碳的同位素标示为碳-12、碳-13和碳-14。

碳-12有6个质子、6个中子,是最常见的同位素,地球上99%的碳都以碳-12的形式存在,大约1%的碳以碳-13(中子数为7)的形式存在。它们还有一个共同点,那就是都是完全稳定的同位素。

然而,碳-14不同。一方面,它来源于宇宙射线对地球高层大气的剧烈撞击,是碳原子中最稀有的同位素,每1万亿个碳原子中只有1个碳-14原子。但因为碳在地球上的含量惊人,基数极为巨大,所以碳-14的实际数量也不少。另一方面,碳-14有6个质子和8个中子,这使得它无法像碳-12和碳-13那样稳定,而是具有放射性,以一种罕见但可测量的速度衰变为氮-14。

作为碳基生命,地球上所有的有机体都在以和大气浓度相同的比例吸收碳的3种同位素原子,参与碳在自然界的循环。只有当有机体死亡时,才会中断这种循环吸收。而这时,有机体中残留的碳-14原子因为停止了与外界的交换,就会表现出衰变痕迹。

碳-14的半衰期为5730年,这意味着几乎每6000年,一个有机材料样本(比如骨头或木头)中碳-14原子的数量就会减少一半。因此科学家能够通过这一原理,采集材料样本,分析稳定的碳-12与衰变的碳-14在样本中的比例,得出一些与样本时间有关的结论。

追踪这一比例,對揭开人类学、考古学和古生物学等众多领域的神秘面纱至关重要。但卡门和鲁本关于碳-14的发现直到1946年才成为主流。当时,芝加哥大学的化学教授威拉德·弗兰克.利比想出了一种利用碳-14测定有机物年代的方法,他因此于1960年获得了诺贝尔化学奖。

考古学家的梦中情人

以前,考古学家和人类学家依靠一种叫作相对年代测定法的方法来解释标本的年龄。他们测定地质年代的依据是:埋得深的物体可能比埋得浅的物体更古老。

但利用碳-14这种珍贵的同位素,科学家得以更准确地测算出了刻在黄蜂巢穴中的古代壁画的年代,确定了神秘的铜器时代冰人奥茨的生活时间,并追踪了古代文明的变化轨迹。

一般的规则是,如果你想用一个放射性时钟来测量一个时间过程,这个放射性元素的半衰期就必须在你所测量的时间范围内。这也说明了放射性碳定年法的一个弱点:它只适用于年龄小于5.5万年的样本。任何比这更古老的东西都没有足够的可量化的碳-14可以用来断定年代。如果你要寻找的是5万年以下的有机遗迹,那么采用碳-14测年就是一种黄金标准。

现代测年技术

大多数研究实验室现在使用一种叫作加速器质谱仪的仪器,来确定样本中有多少个碳-14原子。这些高度专业化的仪器只需要很少的样品材料,就能进行准确读数一这些仪器采用放射性元素直接计数法,仅仅需要1毫克样品,而之前的放射性元素衰变计数法,则需要50毫克样品。

过去的几千年中,全球碳-14的含量水平基本保持不变。而今天情况发生了变化,人类活动改变了大气中的碳含量,科学家已经学会了用其他年代测定技术的信息来校准他们的读数一树木年代学利用树木年轮来测量时间的方法,可以测定的时间范围达到了1.1万年。

当美国和其他国家开始试验原子武器,大气中的成分就发生了永久性的变化。爆炸的核武器向大气中排放了新的同位素,包括碳-14。一些来自苏格兰的科学家尝试使用碳-14年代测定法来鉴别假冒的苏格兰威士忌。他们考虑到核试验盛行的那些年,大麦(苏格兰威士忌用大麦酿造)中的碳-14含量异常偏高,于是校准了200多种已知年份的单一麦芽威士忌样品中碳-14的变异水平,以此来对照市面上那些酒的碳-14测定结果,却发现,试验测定的酒的年代与酒瓶标签上所标注的时间根本不同,说明那些声称来自19世纪酿造的纯正威士忌,其实都是在20世纪50年代的核试验后生产的。

因为今天我们向大气中释放的二氧化碳比以往任何时候都要多,科学家们将不得不对未来的测量进行校准,以将这种排放量的流入考虑在内。

其他应用

碳同位素在其他领域也有意义。例如,在气候科学中,它的巨大价值是令人难以置信的。科学家通过观察古代冰层中的气泡来更好地了解古代的环境。由于极好的稳定性和更长的半衰期,碳的稳定同位素也为科学家们提供了数百万年前地球气候的线索。

冰川消融会令其覆盖的岩石暴露在地球的大气中,同时也使它们也暴露在宇宙辐射中,进而附着一些由宇宙射线作用产生的碳-14原子。科学家可以通过研究一个特定样本中发现的碳-14的数量,从而了解更长时间尺度下,地球上冰川消退的速度。

由于碳-14的存在,研究人员能够跟踪碳循环的轨迹。科学家们可以把一株植物放在一个充满一定量二氧化碳的小房间里,然后观察植物吸收了多少二氧化碳。这能够帮助科学家更好地了解植物如何从大气中吸收碳——这是一个关键的测量方法,用来模拟气候变化在未来几年的发展情况。

发现者的悲惨命运

碳-14的发现距今已经过去了80年,它的重要性表现在科学研究的众多领域,并且从根本上改变着我们对过去的理解,但它的发现者却没有那么成功和幸运。

碳-14的发现者之一塞缪尔·鲁本,在取得这一著名发现的3年后被杀。他在科学研究与发展办公室工作的第二天,一个装有有毒烟雾的小玻璃瓶被打碎,他暴露在了致命的磷化氢气体中。

几年后的一个晚上,另一位碳-14的发现者马丁·卡门,与一位俄罗斯外交官共进了晚餐,结果再次被指控犯下了另一项莫须有的罪行——这次是间谍罪。卡门此后不得不花了几十年的时间来洗刷自己的屈辱。

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