間諜、謀殺、宇宙射線,碳-14的歷史比想像的豐富

萬象經驗 發佈 2020-02-29T04:15:43+00:00

在獲得博士學位之後他並渴望換個環境,卡門在加州大學伯克利分校找到了一份工作,在著名物理學家E.O.勞倫斯實驗室工作。

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裡。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,把他拖到警察局接受審問。他們指控他犯了前一天晚上發生的一系列謀殺案。

但警方無法確定卡門犯了什麼罪,因為這位科學家過去三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,把氘粒子投射到一小塊石墨樣品上。在他被釋放後,卡門回家小睡了一會兒,然後回到實驗室,做出了20世紀最重要的發現之一:碳-14同位素。



不可否認的化學

卡門是個神童,1913年出生於多倫多。他是一位非常有才華的音樂家,很容易在小提琴和中提琴之間切換,並且很早就高中畢業了。為了支撐他在芝加哥大學的化學學習,他在芝加哥的許多地下酒吧里兼職演奏音樂。在獲得博士學位之後他並渴望換個環境,卡門在加州大學伯克利分校找到了一份工作,在著名物理學家E.O.勞倫斯實驗室工作。

在勞倫斯的實驗室里,他遇到了塞繆爾·魯本,一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。科學家知道,植物通過光合作用產生氧氣。但源頭是什麼?是碳嗎?

卡門和魯本使用回旋加速器進行實驗。通過照射回旋加速器中的大塊石墨,他們能夠分離出同位素,並永遠改變我們對生命及其基本組成部分的理解。不過他們不得不把實驗安排在深夜,因為這是機器可用的唯一時間,白天它被用於更高優先級的項目。

原子的愛



科學家們對一種元素的同位素特別感興趣:原子核中質子數相同,中子數不同的孿生原子。碳有三種天然的同位素。每種同位素的質量略有不同,因此是唯一可識別的。碳-12的原子核里有6個質子和6個中子,碳-13多了一個中子。碳-12是最常見的同位素,和碳-13一樣,是完全穩定的。

然而,碳-14是碳族同位素的「害群之馬」。它是碳原子中最稀有的同位素,每一萬億個碳原子中就有一個。它有6個質子和8個中子,這使得它具有放射性,並導致它以一種罕見但可測量的速度衰變為氮-14。

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原子的數量就會減少一半。因為碳-14的姊妹同位素碳-12在大氣中非常豐富,因此幾乎在所有生物中都能找到。科學家能夠採集材料樣本,分析穩定的碳-12粒子與衰變的碳-14粒子的比例。

追蹤這一比例對於揭開人類學、考古學和古生物學等眾多領域的神秘面紗至關重要。但卡門和魯本的發現直到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。



利比於1960年獲得諾貝爾化學獎。

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做相對年代測定法的方法來解釋標本的年齡。他們測定地質記錄:埋得更深的物體可能比埋得更近的物體更古老。

但利用這種珍貴的同位素,科學家們估算了刻在黃蜂巢穴中的古代洞穴壁畫的年代,確定了神秘的銅器時代冰人奧茨(奧茨的冰凍木乃伊屍體是從奧地利阿爾卑斯山拉來的)的生活時間,並追蹤了古代文明的運動。


一般的規則是,如果你想用一個放射性時鐘來測量一個過程,(同位素)的半衰期必須在你所測量的時間範圍內。這也說明了碳測年法唯一的弱點之一:它只適用於年齡小於55000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。如果你要尋找的是5萬年以下的有機遺蹟,這是一種黃金標準。

現代測年技術

大多數研究實驗室現在使用一種叫做加速器質譜儀的儀器來確定給定樣本中有多少個碳-14原子。這些高度專業化的機器只需要更少的樣品材料就能進行準確的讀數——僅僅是一毫克,而之前的放射性碳年代測定法需要50毫克。

地球大氣化學的巨大變化可以幫助科學家更好地限制碳同位素測年法提供的數據。大氣中的碳含量並不總是一樣的,科學家們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。樹木年代學是利用樹木年輪來測量時間的方法,最早可以用來限定11000年的日期。

當美國和其他國家開始試驗原子武器時,大氣的成分發生了永久性的變化。爆炸的核武器向大氣中引入了新的同位素,包括碳-14。科學家們使用碳14年代測定法來鑑別假冒蘇格蘭威士忌的瓶子,與標籤上所說的相反,這些瓶子是在核試驗後生產的。



因為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。

其它應用

碳同位素在其他領域也有意義。例如,在氣候科學中,它的價值是難以置信的。科學家通過觀察古代冰層中的氣泡來更好地了解古代的環境。由於它們的穩定性和更長的半衰期,碳的穩定同位素特別為科學家們提供了數百萬年前地球氣候的線索。



當岩石暴露在地球的大氣中時,無論是通過風化作用、冰川衰退還是火山熔岩噴發,它們也暴露在宇宙輻射中,進而暴露在碳-14中。科學家可以研究在一個特定樣本中發現了多少碳-14,以了解冰川消退的速度。

由於碳14的存在,研究人員能夠跟蹤碳循環的軌跡。科學家們可以把一株植物放在一個小房間裡,讓它充滿一定量的二氧化碳,然後觀察植物吸收了多少二氧化碳。這些實驗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進展。

創造者的悲慘命運

碳-14在發現80年後的重要性很難被低估。雖然同位素將從根本上改變整個科學領域和我們對過去的理解,但它的創造者卻沒有那麼成功。

不幸的是,塞繆爾·魯本在他著名的發現三年後被殺。他在科學研究與發展辦公室工作的第二天,在一個裝有有毒煙霧的小玻璃瓶被打碎後,他暴露在了致命的磷化氫氣體中。

幾年後,在與一位俄羅斯外交官共進晚餐後,卡門又被指控犯有另一項他沒有犯的罪行——這次是間諜罪。卡門花了幾十年的時間來洗刷自己的名聲。

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