宇宙射線帶來的碳-14，歷史比想象的更令人驚訝

Eugene

1940年2月27日清晨，化學家馬丁·卡門坐在寒冷黑暗的警察局里。警方在加州大學伯克利分校的實驗室外逮捕了這位衣冠不整的科學家，他們指控他涉嫌參與前一天晚上發(fā)生的一系列謀殺案。

但警方無法確定卡門犯了什么罪，因為這位科學家過去3天一直被關在實驗室里，和他的同事——化學家塞繆爾·魯本一起，做一個把氘粒子投射到一小塊石墨樣品上的實驗。被釋放后，卡門回家小睡了一會兒，然后回到實驗室，做出了20世紀最重要的發(fā)現(xiàn)之一：碳-14同位素。

不可否認的化學

卡門是個神童，1913年出生于多倫多。他是一位非常有才華的音樂家，能很輕易地在演奏小提琴和中提琴之間自如切換，并且很早就高中畢業(yè)了。為了支撐自己在芝加哥大學的化學學業(yè)，他在芝加哥的許多地下酒吧里兼職演奏音樂。獲得博士學位后，他渴望換個環(huán)境，于是在加州大學伯克利分校找到了一份工作，進入了著名物理學家E.O.勞倫斯的實驗室。

在勞倫斯的實驗室里，他遇到了塞繆爾.魯本，位才華橫溢的化學家和拳擊手。魯本一心想解決一個生化難題——科學家們都知道，植物通過光合作用產生氧氣，但化合反應的源頭是什么？是碳嗎？

卡門和魯本使用實驗室的回旋加速器來研究他們的難題。不過他們不得不把實驗安排在深夜，因為這是機器唯一的可用時間，白天它被用于優(yōu)先級更高的項目。通過照射回旋加速器中的大塊石墨，他們分離出了碳-14同位素，并永遠改變了我們對生命及其基本組成物的理解。

來自宇宙射線的神奇原子

科學家們普遍對元素的同位素特別感興趣。同位素是一種原子核中質子數(shù)相同、中子數(shù)不同的孿生原子，也就是相同元素的變體。每個元素的同位素都是根據它的質量數(shù)，也就是原子中中子和質子數(shù)的總和來命名的。作為地球上構成生命的最基本的四大元素（碳、氮、氫、氧）之一，碳有3種天然的同位素，每種同位素的質量略有不同，分別是12、13和14，因此碳的同位素標示為碳-12、碳-13和碳-14。

碳-12有6個質子、6個中子，是最常見的同位素，地球上99%的碳都以碳-12的形式存在，大約1%的碳以碳-13（中子數(shù)為7）的形式存在。它們還有一個共同點，那就是都是完全穩(wěn)定的同位素。

然而，碳-14不同。一方面，它來源于宇宙射線對地球高層大氣的劇烈撞擊，是碳原子中最稀有的同位素，每1萬億個碳原子中只有1個碳-14原子。但因為碳在地球上的含量驚人，基數(shù)極為巨大，所以碳-14的實際數(shù)量也不少。另一方面，碳-14有6個質子和8個中子，這使得它無法像碳-12和碳-13那樣穩(wěn)定，而是具有放射性，以一種罕見但可測量的速度衰變?yōu)榈?14。

作為碳基生命，地球上所有的有機體都在以和大氣濃度相同的比例吸收碳的3種同位素原子，參與碳在自然界的循環(huán)。只有當有機體死亡時，才會中斷這種循環(huán)吸收。而這時，有機體中殘留的碳-14原子因為停止了與外界的交換，就會表現(xiàn)出衰變痕跡。

碳-14的半衰期為5730年，這意味著幾乎每6000年，一個有機材料樣本（比如骨頭或木頭）中碳-14原子的數(shù)量就會減少一半。因此科學家能夠通過這一原理，采集材料樣本，分析穩(wěn)定的碳-12與衰變的碳-14在樣本中的比例，得出一些與樣本時間有關的結論。

追蹤這一比例，對揭開人類學、考古學和古生物學等眾多領域的神秘面紗至關重要。但卡門和魯本關于碳-14的發(fā)現(xiàn)直到1946年才成為主流。當時，芝加哥大學的化學教授威拉德·弗蘭克.利比想出了一種利用碳-14測定有機物年代的方法，他因此于1960年獲得了諾貝爾化學獎。

考古學家的夢中情人

以前，考古學家和人類學家依靠一種叫作相對年代測定法的方法來解釋標本的年齡。他們測定地質年代的依據是：埋得深的物體可能比埋得淺的物體更古老。

但利用碳-14這種珍貴的同位素，科學家得以更準確地測算出了刻在黃蜂巢穴中的古代壁畫的年代，確定了神秘的銅器時代冰人奧茨的生活時間，并追蹤了古代文明的變化軌跡。

一般的規(guī)則是，如果你想用一個放射性時鐘來測量一個時間過程，這個放射性元素的半衰期就必須在你所測量的時間范圍內。這也說明了放射性碳定年法的一個弱點：它只適用于年齡小于5.5萬年的樣本。任何比這更古老的東西都沒有足夠的可量化的碳-14可以用來斷定年代。如果你要尋找的是5萬年以下的有機遺跡，那么采用碳-14測年就是一種黃金標準。

現(xiàn)代測年技術

大多數(shù)研究實驗室現(xiàn)在使用一種叫作加速器質譜儀的儀器，來確定樣本中有多少個碳-14原子。這些高度專業(yè)化的儀器只需要很少的樣品材料，就能進行準確讀數(shù)一這些儀器采用放射性元素直接計數(shù)法，僅僅需要1毫克樣品，而之前的放射性元素衰變計數(shù)法，則需要50毫克樣品。

過去的幾千年中，全球碳-14的含量水平基本保持不變。而今天情況發(fā)生了變化，人類活動改變了大氣中的碳含量，科學家已經學會了用其他年代測定技術的信息來校準他們的讀數(shù)一樹木年代學利用樹木年輪來測量時間的方法，可以測定的時間范圍達到了1.1萬年。

當美國和其他國家開始試驗原子武器，大氣中的成分就發(fā)生了永久性的變化。爆炸的核武器向大氣中排放了新的同位素，包括碳-14。一些來自蘇格蘭的科學家嘗試使用碳-14年代測定法來鑒別假冒的蘇格蘭威士忌。他們考慮到核試驗盛行的那些年，大麥（蘇格蘭威士忌用大麥釀造）中的碳-14含量異常偏高，于是校準了200多種已知年份的單一麥芽威士忌樣品中碳-14的變異水平，以此來對照市面上那些酒的碳-14測定結果，卻發(fā)現(xiàn)，試驗測定的酒的年代與酒瓶標簽上所標注的時間根本不同，說明那些聲稱來自19世紀釀造的純正威士忌，其實都是在20世紀50年代的核試驗后生產的。

因為今天我們向大氣中釋放的二氧化碳比以往任何時候都要多，科學家們將不得不對未來的測量進行校準，以將這種排放量的流入考慮在內。

其他應用

碳同位素在其他領域也有意義。例如，在氣候科學中，它的巨大價值是令人難以置信的?？茖W家通過觀察古代冰層中的氣泡來更好地了解古代的環(huán)境。由于極好的穩(wěn)定性和更長的半衰期，碳的穩(wěn)定同位素也為科學家們提供了數(shù)百萬年前地球氣候的線索。

冰川消融會令其覆蓋的巖石暴露在地球的大氣中，同時也使它們也暴露在宇宙輻射中，進而附著一些由宇宙射線作用產生的碳-14原子?？茖W家可以通過研究一個特定樣本中發(fā)現(xiàn)的碳-14的數(shù)量，從而了解更長時間尺度下，地球上冰川消退的速度。

由于碳-14的存在，研究人員能夠跟蹤碳循環(huán)的軌跡。科學家們可以把一株植物放在一個充滿一定量二氧化碳的小房間里，然后觀察植物吸收了多少二氧化碳。這能夠幫助科學家更好地了解植物如何從大氣中吸收碳——這是一個關鍵的測量方法，用來模擬氣候變化在未來幾年的發(fā)展情況。

發(fā)現(xiàn)者的悲慘命運

碳-14的發(fā)現(xiàn)距今已經過去了80年，它的重要性表現(xiàn)在科學研究的眾多領域，并且從根本上改變著我們對過去的理解，但它的發(fā)現(xiàn)者卻沒有那么成功和幸運。

碳-14的發(fā)現(xiàn)者之一塞繆爾·魯本，在取得這一著名發(fā)現(xiàn)的3年后被殺。他在科學研究與發(fā)展辦公室工作的第二天，一個裝有有毒煙霧的小玻璃瓶被打碎，他暴露在了致命的磷化氫氣體中。

幾年后的一個晚上，另一位碳-14的發(fā)現(xiàn)者馬丁·卡門，與一位俄羅斯外交官共進了晚餐，結果再次被指控犯下了另一項莫須有的罪行——這次是間諜罪?？ㄩT此后不得不花了幾十年的時間來洗刷自己的屈辱。