炭素 14 年代測定について詳しく解説

炭素 14 年代測定は、有機物に含まれる炭素 14 の放射能の測定に基づいた放射年代測定法であり、その絶対年齢、つまり死後の経過時間を知りたいと考えています。

この方法の使用範囲は、数百年から約 50,000 年までの絶対年齢に対応します。この方法を古代の出来事、特にその年齢が 6,000 年を超える (先史時代) に適用すると、以前よりもはるかに正確に年代を特定することが可能になりました。したがって、考古学と古人類学に大きな進歩をもたらしました。

歴史的

1960 年に、ウィラード フランク リビーはこの方法の開発によりノーベル化学賞を受賞しました (この発見の歴史については研究者に関する記事を参照してください)。

デートの原則

炭素 14 ( ¹⁴ C) または放射性炭素は、放射性半減期(または半減期) が 5,730 年である炭素の放射性同位体です。

生物は同位体を区別せずに炭素を同化します。その生涯の間、全炭素 ( ¹² C、 ¹³ C、 ¹⁴ C) に対する体内に存在する¹⁴ C の割合は、その時点で大気中に存在する割合と同じです。

したがって、炭素 14 年代測定は、あらゆる生物の中に微量（合計¹⁴ C/C 比で 10 ^-12程度）の放射性炭素が存在することに基づいています。生物が死んだ瞬間から、それに含まれる放射性炭素の量とその放射能は、指数関数的な法則に従って時間の経過とともに減少します。したがって、この生物の有機物のサンプルは、質量分析計で合計¹⁴ C/C 比を測定するか、生物の死後 x 年での活性を測定することによって年代を特定できます。

天然放射性炭素の起源

天然の放射性炭素は、大気、海洋、生物圏の 3 つの貯留層内を循環します。

半減期が 5,730 年である放射性炭素は、もし継続的に生成されなければ、とっくの昔に生物圏から消滅していただろう。

高層大気では、宇宙放射線からの陽子との核反応により中性子が生成されます。中性子は空気分子との衝突によって減速された後、窒素と反応して放射性炭素を形成します。

$$ {\mathrm{n} + ^{14}\!\mathrm{N} \rightarrow ^{14}\!\mathrm{C} + ^{1}\!\mathrm{H}} $$

窒素が地球の大気の 78.11% を構成しているため、この反応は促進されます。放射性炭素の生成は高度 7,000 メートルから 12,000 メートルの間で行われます。

放射性炭素は酸素と急速に反応して二酸化炭素を形成します。このガスは大気中を循環し、海洋に溶解して炭酸塩を形成します。したがって、放射性炭素は海洋でも循環します。

二酸化炭素は生物圏とも反応します。植物は光合成によって大気中の放射性炭素を同化し、動物に食べられます。海洋生物は、海洋に存在する放射性炭素も同化します。したがって、放射性炭素は食物連鎖を通じて生物圏に広がります。

合計¹⁴ C/C 比は、生物とその環境の間の永続的な交換により、大気、海洋表面、生物圏で均一であると考えられています。

さらに、宇宙線の束は長期間にわたって一定であると仮定します（一次近似）。したがって、放射性炭素の生成速度は一定であるため、大気、海洋表面、生物圏の合計¹⁴ C/C 比は一定です (生成される原子の数は崩壊する原子の数に等しい)。

生物が死ぬと、外部環境とのすべての交換が止まりますが、放射性炭素は閉じ込められたままであり、その量は放射性崩壊の過程に従って指数関数的に減少し始めます。これにより、生物が死んでからどのくらいの時間が経過したかを知ることができます。

有機物のサンプルの年齢の測定

炭素 14 の放射性崩壊は、その半減期によって特徴付けられる指数関数的崩壊の法則に従います。有機物のサンプルの年代測定には、合計¹⁴ C/C 比 (崩壊後に天然の放射性炭素が残るもの) を測定し、その年代を推定することが含まれます。合計¹⁴ C/C 比は、合計¹⁴ C/C 比に比例する天然放射性炭素による比放射能 (炭素の単位時間当たりおよび単位質量当たりの崩壊数) を測定することによって間接的に測定されるか、または直接的に測定されます。質量分析法による。

1940 年代の終わりにリビーによって開発されたとき、炭素 14 年代測定にはサンプルの放射能の測定が含まれていましたが、信号が弱かったため繊細でした (分析されたサンプルには放射性炭素原子がほとんどなく、特に数回測定した後では)。千年、さらには崩壊しないもの）とバックグラウンドノイズ（自然放射能、宇宙線など）

今日では、質量分析による合計¹⁴ C/C 比の直接測定が好まれています。これにより、はるかに小さいサンプル (以前は数グラムの炭素に比べて 1 ミリグラム未満) の年代測定が可能になり、はるかに迅速に (1時間未満で) 測定できるためです。数日または数週間ではなく）。サンプルから抽出された炭素は最初にグラファイトに変換され、次に粒子加速器に接続された質量分析計によって生成される電圧によって加速されるイオンに変換されます。磁石を使用してさまざまな炭素同位体を分離し、炭素 14 イオンを数えることができます。

50,000 年より古いサンプルは炭素 14 年代測定ができません。これは、合計¹⁴ C/C 比が低すぎて現在の技術では測定できないためです。結果は 35,000 年未満の年齢についてのみ比較的正確です

最も一般的な年代測定法は、測定時間tにおけるサンプルの放射性炭素濃度C _t (つまり、合計¹⁴ C/C 比) を決定することで構成されます。サンプルの年齢は次の式で求められます。

$$ {{t}-{{t}_0}=\frac{1}{\lambda}\times\ln\frac{{C}_0}{{C}_{t}}} $$

ここでC ₀は、サンプルの由来となった生物の死の時刻t ₀におけるサンプルの放射性炭素濃度です (

従来の放射性半減期

有機物のサンプルの従来の炭素 14 年齢は、1950 年に一連の測定から計算された従来の期間 5,568 年から計算されます。それ以来、より正確な測定が行われ、5,730 年の期間が与えられましたが、研究室は混乱を避けるために従来の値を使用し続けています。

結果は「現在より前」の年数 (BP) で示されます。ゼロ点（この物質が由来する生物の死からの経過時間が測定される）は、それ以降、汚染により大気中の二酸化炭素の割合が大きく変化したため、放射性炭素レベルが 1950 年のレベルと等しいと仮定して 1950 年に設定されています。 ！

検量線

1960 年代初頭、炭素 14 年代測定によって推定されたサンプルの年代と考古学または年輪年代学によって推定されたサンプルの年代の間に観察された特定の体系的な不一致が問題を引き起こしました。

たとえ¹⁴ C の形成の起源における宇宙線束が一定であると仮定できるとしても、宇宙研究では、地球の上層大気中で受け取られるこの束の量は、地球の磁場と磁場の変化に続いて変化することが示されています。太陽磁場。これは、天然放射性炭素の生成速度が時間の経過とともに変化する理由を説明します。

気候変動のほか、産業や輸送による大気中への化石炭素の大量放出も、3 つの貯留層 (大気、海洋、生物圏) の炭素の総量に変化をもたらしています。最後に、1950 年代から 1960 年代にかけて、核実験により大気中の放射性炭素の量がほぼ 2 倍になりました。しかし、これらの最近の現象は古代の物体の年代測定には影響を与えず、その¹⁴ C/C 比はその年齢と、生物活動が停止した日付の¹⁴ C/C 比にのみ依存します。

結論として、生物圏における合計¹⁴ C/C 比は時間の経過とともに一定ではありません。したがって、炭素 14 を使用して得られた年代測定と、年輪年代学などの他の方法を使用した年代測定を比較して検量線を作成する必要があります。

これらの曲線により、サンプルの従来の炭素 14 年代が分かるので、カレンダーで対応する日付を見つけることができます。

その他の修正

内燃機関を搭載した車両は、炭素の安定同位体である¹² C および¹³ C のみを含む石油製品を使用します。炭素 14 はすべて、化石燃料の長い埋設期間中に消滅しました。

これは、これらの車両から放出される炭素ガスにも当てはまります。したがって、高速道路沿いに生えている低木を¹⁴ ℃で年代測定すると、その樹齢が 12,000 年以上であることがよくあります。

したがって、化石燃料からの¹⁴ C を含まない炭素ガスの排出場所に応じて、産業革命に関連した年代測定を可能にする補正表が存在します。