碳十四测定文物的年限的逻辑是不是有问题？ 第1页

地球上的碳14是可再生资源——它来自于宇宙射线对大气层顶端的氮原子的轰击。这个过程和生成速率大体上可以看做是稳定的。

所以，既然生成速率稳定，半衰期也稳定，那就可以认为它在大气中的含量和比例是稳定的。

接着，只要生物体活着，那它不停地呼吸时就会和大气进行交换，所以活的生物体内的比例大体上也是跟随大气的。

最后，只有生物体死了，这种交换过程才会停止，这时候的比例才会和大气产生区别。所以严谨来说，碳14测的是生物体的死亡时间，而不是工具或者物品制造时间——但一般来说，在几千年几万年这个尺度上，我们可以认为这两个时间几乎一样。

这是原问题。

1.珠峰顶部的岩石有五亿年的历史，珠峰有五亿年的历史吗？错，珠峰的历史只有几千万年。

2.岩石本身的年龄，与岩石构成的山体、构造、人造物的年龄无关。后者要从岩石开始被改造开始算起。

所以，计算一座山的年龄，最笼统的方式，也需要从造山运动的起点开始计算。喜马拉雅山的造山运动，大概可以从6500万年前开始算。

石器同理，需要从它被人类加工、利用的时候，计算“作为石器的年龄”。

3.石器的年龄，不通过测定石器岩石本身的年龄得出。且不论碳十四法不适用于大多数的岩石定年，就算你用铀钍铅法、钾氩法技术，测出岩石的形成年龄在2亿年前，那它与人类把它改造为石器有关吗？

没有。

4.所以，石器测年有更简单的办法，即测量石器产出地层的年龄。这里有一个从地质学过渡到考古学的一个判断原则：同一时代形成的沉积地层，在横向上是连续的——同一时代埋藏的考古文化层，在横向上是连续的。

所以我们测量石器产出文化层的年代，就可以认为是石器被制造、利用和埋藏的年代了。当然，我们不考虑祖传老石器这种特殊现象。

5.于是，石器测年的问题，实质上大多情况下，等于石器产出地层的测年问题。

那这就好办了，沿着连续文化层，找一点烧过的碳灰、散落的谷物、残留的食物、古人的粑粑、动植物遗骸，随便什么有机物，都可以做碳十四定年。

问题解决。

然而，提问者修改了问题：

好家伙，这直接改了个面目全非，从“石器a如何测年”，变成“同位素测年时封闭体系的建立和选择”上了。

所以前面的回答无效了，不能解决这个问题。

简而言之：同位素测年选择的对象，一定是某个年代开始，与外界停止大规模物质交换的对象，特别是停止了选取同位素的交换。

怎么理解？看着很绕的样子。

以张三为例子，他活着的时候，天天干饭，摄入大量食物，其中包括碳元素。于是，体内的碳元素常换常新，维持稳定。然后有一天他死了，停止干饭，体内的碳元素得不到外界更新，于是他的遗体就成了“碳的封闭体系”。在这个封闭体系里，由于碳12 13 14都得不到外界补充，所以其中放射性核素衰变的那部分，也无法得到补充，含量会越来越少少。

两千年后，人们发现了张三的遗骨，发现其中碳十四比例，与地球本底碳十四比值不同，一顿计算，发生了多少代衰变就算出来了，于是“封闭体系建立的时代”，也就算出来了，换句话说，我们得到的，其实是张三死亡的时代。至于啥时候出生，那就在误差里了……

题主的思路非常正确。的确，地球上的碳14也会一直在衰减，那么为什么我们还能用碳14去定年呢？这是因为，地球大气也在实时生成碳14，所以使得地球上的碳14浓度大致处于相对稳定的状况！

我们知道，宇宙中会有宇宙射线，而这些宇宙射线也在实时“轰炸”着地球。感谢大气层和地球磁场，否则我们早就被这些宇宙射线给“轰炸”了。在宇宙射线中，就有不少中子。

另外，大气层中有不少氮气，而宇宙射线的中子可以与氮原子( )发生核反应生成碳14

假设反应速率常数为

碳14由于不稳定会发生衰变——这也是碳14定年法所用的核反应

反应速率常数为

那么

假设已经处于稳定状态，那么就会有

所以可以解得

由此可见，只要中子的浓度 和大气中氮14的浓度 是常数，大气中的碳14浓度也会是一个常数的。比如现在的 大约是

随后，这些反应得到的碳14会生成二氧化碳，并进入到生物界的各种循环之中。

而当生物存活时，会一直从自然界获取含碳有机物，并呼出二氧化碳，所以生物体内的 会与自然界中的一致；当生物死亡后，这样的交换过程停止，所以原有的碳14只会衰变了，这也是碳14定年法的理论基础！

看到这里，你可能会问，万一中子的浓度或者大气中氮14的浓度不是常数呢？那是不是这样计算就会有问题了？

没错，非常正确。这也是为什么科学家们还需要制作出各种校准曲线。不同的时期需要用到不同的校正系数。

另外，如果人为地大量排放二氧化碳气体导致比例改变的话，也会影响测量结果的。据说19世纪时，由于人类大量燃烧化石燃料（这些化石燃料中的碳14浓度很低），导致大气中碳14 浓度被稀释，所以如果不进行校正的话，20世纪早期文物的鉴定结果会比实际值偏久远^[1]。大城市附近由于燃烧化石燃料更多，相较于乡村也会有更大的影响。

包括地上核试验也会产生大量的中子从而影响碳14浓度，对测量结果产生影响^[1]。

参考

1. ^ ^{a b} https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%94%BE%E5%B0%84%E6%80%A7%E7%A2%B3%E5%AE%9A%E5%B9%B4%E6%B3%95

问题的关键在于——除了衰变的消耗之外，C14还有补给的途径。

衰变速率是统一的，但补给速率是不同的。

因此，不同的物体，其同位素丰度是会存在差异的。

一方面，大气层中的C14由于衰变与生成（宇宙中子射线轰击氮核产生）动态平衡，所以实际上，大气层的C同位素丰度基本是不变的。

而植物等活着要吸收大气中的二氧化碳，转化为有机物；而动物等活着要直接或间接的摄取植物生成的有机物。所以它们活着的时候，其体内的有机物中的C同位素丰度基本上也是不变的，与大气大致相等（由于生物分馏作用略有差异，此处按下不表）。

而当它们死去后，有机物部分的C14几乎得不到补充，这时候丰度才开始下降。

所以准确的说，我们测出来的更接近生物变成遗骸或者一些有机物离开生物体的年代。

至于岩石圈中的C14，无论是有机还是无机，绝大多数情况下其补给都主要来自其他放射性元素衰变直接或间接的产生，完全没法和上述情况比较……

碳十四测定可以说是我们现在最靠谱的文物测定方法了。

你说“现代造出的含碳制品的材料都是源自于地球，所以碳十四比例也应当降低，这根古代含碳文物从古至今碳十四比例降低有什么量上的区分吗？”

你说的没错，比如石油中的碳十四比例就非常低，但问题是你怎么将这石油变成组成文物的部分呢？比如变成布、纸、木制品的纤维呢？

很难，几乎实现不了，用石油造纸造布或者木制品，太容易穿帮了，工艺问题。而且就算你成功了，造纸技术才多少年，石油动不动就几亿年的，人类文明有记载的不超过一万年。你用石油造个纸，你还得提高纸里面的碳十四比例，这提高比例可不是拿X光、紫外线什么的照射一下就可以了，极为困难，得用高能粒子。如果是掺杂，这个就极为考验工艺了，事实人类很难将小分子/大分子无机物合成长纤维，如果再造成纸、布、木头的纤维样子，呃……至少目前还没有报道 。

科普就图个点赞。