在每一种动物或植物的体内，都存在一种特殊的放射性物质，它们能像计时表那样，随时准备着倒计时。听起来很神奇，其实这是一种正常的自然现象，这种放射性物质就是碳-14（C14）。碳-14 进入动植物体内是一个曲折的过程，这个过程就叫“全球碳循环”，或“生物圈碳交换”。
碳有好几种同位素，碳-12 和碳-13 都很稳定，唯独碳-14 具有放射性，它每 5730 年衰减为原来的一半，这就是它的“半衰期”。碳-14 的形成归咎于宇宙射线。在大气中，宇宙射线粒子经过多次碰撞，形成了慢中子，它们与大气氮原子相互作用后，氮原子放出一个质子，就变成了碳-14。碳-14 不断在大气中形成，它们经过与氧结合，形成二氧化碳，碳-14 就以二氧化碳的形式进入了“全球碳循环”。
当动植物呼吸，或者动物吃植物时，都会吸收其中的碳-14，碳-14 就在动植物体内储存起来，最后达到了平衡。动植物死亡后，呼吸停止，吃植物的行为也停止了，与生物圈的碳交换也就停止了。于是，死去动植物体内的碳-14 不再维持平衡量，碳-14 因其放射性开始减少，即每 5730 年减少一半，所以，从体内残存的碳-14 含量，就可以推测动植物体内碳-14 开始减少的时刻，由此推断死亡的时间。然而动植物体内碳-14 的存量有限，用这种方法只能推测到 6 万年的时间。
碳-14 测年的方法最早是由美国化学家威拉得・利比等人发现的。1933 年利比从加州大学伯克利分校化学系获得博士学位后，留在学校担任讲师。
1939 年，伯克利的辐射实验室开设了一项研究，设法在有机物中寻找一种普遍存在、半衰期又足够长的元素，打算把这种元素用于生物医学的研究。利比承接了这项课题，他很快地发现碳-14 的半衰期比人们以前设想的要长。接着，他又发现，碳-14 能不断地在大气中产生，并发现它是大气中的慢中子与氮-14 作用后的产物。但在那时的权威人士一致认为碳-14 是氘核与碳-13 作用产生的，这位年轻人的结论没有立即得到承认。
1945 年，利比来到芝加哥大学。次年，他发表了一篇论文，提出了在动植物身体里所含的碳元素中，可能有碳-14 的存在，并预言这种元素是经过呼吸随二氧化碳储存在体内的。为了证实这个想法，利比研究组需要找寻大量死去动植物的腐体。于是，他们从正在进行的巴尔的摩污水工程那里，收集到了大量带有沼气的污泥。污泥散发着腐臭的气味，遭到周围人的嫌恶与不解。
这是个花长时间的提炼过程。利比研究组从污泥中提取出甲烷，再经过样品的同位素浓缩，利用浓缩后的材料开始了系列检验。他们的试验结果证实，在沼气污物中的甲烷成分果然含有碳-14，而石油里的甲烷却不含碳-14。同样是甲烷，两种样品对比的结果证实，石油甲烷中的碳-14 因为超过了 6 万年，放射性碳-14 早已衰变消失。他们把一系列试验测试结果收集整理，发表于 1947 年的《自然》杂志中。利比通过试验找到了用于生物医学的最佳材料。碳-14 普遍存在于有机物中，它们的衰变时间也足够长，因为半衰期越长，能推断年龄的期限也就越长。
为了从另一个角度再做证实，利比利用同样的方法，试验测量已知年龄的木质材料。他们选择了两个样本，分别取自古埃及第三王朝的法老左赛尔和法老斯尼夫鲁的棺木。利用碳-14 确定的两种木材死亡的时间分别是公元前 2625 年 ±75 年，而按照历史记载，这两位法老去世的时间为公元前 2800 年 ±250 年。1949 年 12 月 23 日，利比的研究结果发表在《自然》杂志上。利比所开创的碳-14 测年法由于其简便和准确性，很快地引起了考古学和地质地理学界的注意。
通过碳-14 还可以利用岩石或土壤夹层中有机物年龄推断地质形成的年代，获知地质地貌的形成和变迁。半个世纪的发展证明，利比所开创的碳-14 历史测年法，对历史学、人类学、地质地理学和考古学有着重要的意义，它已经成为一种可靠而强大的实用技术。由于这一成果，利比获得了 1960 年的诺贝尔化学奖。
本文来自微信公众号：原点阅读 （ID：tupydread），作者：魏凤文、武轶，编辑：张润昕
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