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放射性碳同位素测年的标尺：碳-13
放射性碳定年法一直被用于确定古代木乃伊的年龄，在一些案例中，测定结果甚至可追溯到9000多年以前。 （Masterpics / Alamy Stock Photo）
七十年前，美国化学家威拉德·利比（Willard Libby）设计了一种巧妙的有机质测年法。他的技术，被称为碳定年法，为考古领域带来了一场革命。
现在研究人员可以通过观察一定形式的剩余碳量来准确计算任何有机物体的年龄，然后推算出由该有机物所组成的植物或动物的死亡时间。利比也因这项技术在1960年赢得了诺贝尔奖。这一技术甚至能够测量木乃伊的纹身、英国图书馆藏最古老的古兰经、以及最近三年内被猎取的象牙。
如今，人类向大气中排放的二氧化碳量不断增加。对于今后的考古学家来说，这将威胁到他们使用该技术测年的准确性。这是因为，化石燃料可以改变新有机物的放射性碳，使它们与古老有机物的年龄难以区分。值得庆幸的是，《Environmental Research Letters》昨天发表的最新研究成果，为利比的碳定年法注入了新的活力：另一种碳同位素。
同位素是具有一定数量中子的元素形式。中子是在原子核中发现的电中性亚原子粒子。虽然原子中质子和电子的数量决定了它是什么元素，但是同一种元素不同原子的中子数却可以有很大差别。 地球上近99％的碳是碳-12，这意味着每个原子在其核中具有12个中子。你穿的衬衫，吸入的二氧化碳和吃下的动植物主要由碳-12组成。
碳-12是一种稳定的同位素，意味着它在任何材料中的含量在世世代代之后都保持不变。而利比开创性的放射性碳定年技术关注的是一种更稀有的碳同位素：碳-14。与碳-12不同，这种碳的同位素是不稳定的，其原子在数千年后衰变为氮的一种同位素。然而，当太阳的射线撞击氮原子时，就会以稳定的速率在地球的上部大气中产生新的碳-14.
放射性碳定年法利用了碳的这两种稳定和不稳定的同位素之间的对比。一株植物在其生命周期中不断通过光合作用从大气中摄取碳。而动物则是在他们食用植物时获取这种碳，碳通过食物循环传播。这些元素中碳-12和碳-14的比例相对稳定。
当这些植物和动物死亡时，它们就停止摄入碳元素。 从那个时间点开始，植物或动物遗留物的碳-14的量将随时间减少，而碳-12的量则保持不变。通过放射性碳元素来测定一个有机物的年代时，科学家可以测量有机物中剩余的碳-14与总量不变的碳-12之间的比例，来推测出这一有机物来源死亡的时间有多久。先进的技术已经使放射性碳定年法在许多情况下精确到几十年之内。
碳定年法是考古学家利用原子自然衰变的一个极佳方法。不幸的是，人类正在给这种测法添乱。
在过去几个世纪中，人类通过燃烧化石燃料将碳不断排放到空气中，高层大气中缓慢且稳定的碳-14生成过程如今被扰乱。因为化石燃料的年龄都在几百万年以上，它们已经不含有任何可测量出的碳-14。所以，当数百万吨的碳-12被排放到大气中后，原先十分稳定的两种同位素的比例就被破坏了。在去年发表的一个研究中，伦敦帝国理工学院的物理学家希瑟·格雷文（Heather Graven）指出了这些额外的碳排放将如何影响放射性碳定年法的效果。
新研究的主要作者物理学家彼得·科勒（Peter Köhler）说，到2050年，新有机材料样品将与1,000年前的样品具有相同的放射性碳定年测试结果。大气的持续污染将进一步扭曲该比率。 科勒说：“在几十年内，就将无法区分我们进行碳测定的有机物中的碳是来自过去还是未来。”
受到格雷文研究的启发，科勒将注意力转向了另一种天然存在的碳同位素：碳-13。 虽然碳-13仅占地球大气的1％多，但植物在光合作用期间仍然会以比碳-12慢得多的速率吸收碳的这种更大，更重的原子。 因此，在由植物和食用它们的动物所产生的化石燃料中发现了很低的碳-13水平。换句话说，燃烧这些化石燃料也会扰乱大气中的碳-13水平。
通过测量碳定年物体中的碳-13，未来的科学家将进一步知晓碳-14水平是否被化石燃料排放所扭曲。物体中低于预期的碳-13水平将成为一条红线，指示其碳定年的结果不可信。 研究人员就可以忽略这个结果并尝试其他方法来测年。
“可以清楚地看到，如果碳-14被影响了，将给你一个有问题的年龄标签，而碳-13也会有一个同样的标签，”科勒说。 “因此，你可以使用碳-13来区分放射性碳是否受到了影响，从而导致错误的碳定年结果。
科勒承认，他的技术不适用于从深海区域采集的材料，那里的碳与大气的其它部分交换缓慢，但他认为这一方法将有助于未来考古学家整理出我们这个污染时代的残余物。
Carbon-13一般不必要，因为考古学家通常可以通过物品出土的沉积层来复核其年龄。但是对于沉积层不清晰或沉积层无法被准确断代的物体，这种技术可以作为一项额外的检验。 Köhler的工作“提供了一定保证，[放射性碳定年]将来仍可用于一些独立的样品。”Reimer说。