元素原子等離子體的合成

元素原子等離子體的合成

今年1月，蘇聯(lián)教育部發(fā)布了《反恐怖主義委員會(huì)議》，協(xié)議應(yīng)允許我們和其他批評(píng)家研究并使用平利用能。許多報(bào)紙、雜誌都介紹和宣傳放射性同位素在工業(yè)上、醫(yī)學(xué)上、生物學(xué)上和其他自然科學(xué)上的應(yīng)用。但是關(guān)於放射性同位素在考古學(xué)上的應(yīng)用,仍很少有人談起。所以我寫(xiě)這一篇來(lái)介紹一下。一金屬炭素的原子量與“放射性炭素”我們都知道化學(xué)上的不同的元素是由不同的原子所組成的。依照現(xiàn)代物理學(xué)的研究,原子是像行星系一樣,中心是原子核,外圍有像行星一樣繞核旋轉(zhuǎn)的電子若干個(gè)。原子核又是由質(zhì)子和中子等組成的。不同的原子所帶的電子數(shù)目也各不相同,例如氫原子只有1個(gè)電子,炭原子有6個(gè)電子。每一種元素的原子中,它的電子和質(zhì)子的數(shù)目都是相等的,但是中子的數(shù)目可以不同,例如氫原子一定要有電子質(zhì)子各1個(gè),但是它可以沒(méi)有中子,也可以有1個(gè)或2個(gè);炭原子一定要有電子質(zhì)子各6個(gè),但是中子可以有6個(gè)或7個(gè)?；瘜W(xué)家把各種元素依照它們?cè)铀鶐щ娮又饾u增加的數(shù)量和它們的化學(xué)性質(zhì),排列成一個(gè)表,叫做元素週期表。在這一表中,每種元素都有它的一定的位置。像上面所說(shuō)的那3種含有不同數(shù)目的中子的氫元素,在這表中是佔(zhàn)同一位置的。那兩種不同的炭元素也是另外佔(zhàn)同一位置的。因此,這3種氫元素或這兩種炭元素,就叫做“同位素”。這些同一元素的同位素,不僅在週期表中序數(shù)的位置相同,並且化學(xué)性質(zhì)也相同;但是它們的原子量卻因爲(wèi)所帶的中子數(shù)目不同而各不相同(所謂“原子量”是指某一元素的一個(gè)原子對(duì)於普通氧原子的比較重量,假定普通氧的原子量是16)。上面所說(shuō)的炭元素的兩種同位素,它們的原子量是12和14,各不相同。前者是普通的炭素,後者是帶放射性的,所以叫做“放射性炭素”,它是炭素的“放射性同位素”?；瘜W(xué)家也有根據(jù)它的原子量叫它“炭14”,如果採(cǎi)用化學(xué)符號(hào)可以寫(xiě)作C14。所謂“放射性”,是指它們能夠自發(fā)地不斷地分裂而放射出一種粒子或射綫,直至完全喪失這性能而後止(關(guān)於原子構(gòu)造和同位素,可參閱中華全國(guó)科學(xué)技術(shù)普及協(xié)會(huì)出版“原子能通俗講話”3—5頁(yè),1955年。)在高空的上層氣流中,因爲(wèi)宇宙綫的放射,產(chǎn)生了中子。這些中子和空氣中的氮元素起了反應(yīng),便產(chǎn)生了炭14。氮原子受了宇宙綫中子的撞擊後便發(fā)生了爆炸,放出一個(gè)質(zhì)子,而吸取一個(gè)中子,因之便轉(zhuǎn)化爲(wèi)炭14。這些炭14和普通炭素一樣,在空氣中和氧化合成爲(wèi)二氧化炭而被植物所吸收以光合成炭水化合物,又由經(jīng)過(guò)食用植物而被動(dòng)物所攝取。此外,二氧化炭也有溶解於水中的。所以,動(dòng)植物體內(nèi)的組織中和海水中都含有這種炭14。一切放射性同位素都有一定的“半衰期”,即在一定的期間中,其中一半因爲(wèi)放射而轉(zhuǎn)化爲(wèi)不帶放射性的普通元素。例如氫3的半衰期是12.5年,鈷60的半衰期是5.3年。至於炭14的半衰期,據(jù)精密的測(cè)量是5568±30年。地球上的炭14因放射而消失的分量,和高空中新產(chǎn)生的分量,據(jù)研究的結(jié)果是成一平衡狀態(tài)。並且可以計(jì)算得出來(lái),地球上現(xiàn)有的炭14是81公噸左右。每一定量的炭素中含炭14的分量?jī)H3,100,000,000之1。動(dòng)植物活著的時(shí)候,他們所吸收進(jìn)來(lái)的炭14的分量,可以抵償他們體內(nèi)原有的炭14的分裂消失,所以他們體內(nèi)所含的炭素中炭14的分量,是和地球上一般的炭素中的相同。據(jù)精密測(cè)定,每克的炭素每分鐘分裂15.6次,即放射出15.6粒的β粒子。動(dòng)植物死亡後,炭14不再被吸收進(jìn)去,只有因放射而逐漸減少。減少的速度,便是依照前面所說(shuō)的“半衰期”的年數(shù),即經(jīng)過(guò)5568±30年後減少一半。也就是說(shuō),每克炭素每分鐘只分裂7.8次。殘留的部分,每再經(jīng)過(guò)5568±30年,便再減少二分之一。這種炭14的衰減過(guò)程,是地球上任何地點(diǎn)都是一樣的,和經(jīng)緯度或高度無(wú)關(guān);並且不受外界普通物理作用如壓力、溫度等的影響,也不受所接觸的物體的化學(xué)成分的影響。所以我們只要能測(cè)定古代動(dòng)植物體內(nèi)炭素所含的炭14的分量,便可以計(jì)算出這些動(dòng)植物的死亡的年代。和這些動(dòng)植物同時(shí)代的當(dāng)時(shí)人類(lèi)的年代,也便可以計(jì)算得出來(lái)了。因爲(wèi)炭14的放射性是很微弱的,測(cè)量的方法,須要使用該革氏計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器是現(xiàn)代物理學(xué)最精密的儀器之一,能夠用來(lái)發(fā)現(xiàn)和紀(jì)錄個(gè)別原子衰變。它的靈敏度超過(guò)天平的靈敏度好幾萬(wàn)萬(wàn)倍。炭14所放射出的β粒子,每一粒穿過(guò)計(jì)數(shù)管的薄管時(shí),便在管中引起一個(gè)瞬時(shí)間的電流衝。這個(gè)電流經(jīng)過(guò)放大之後,利用揚(yáng)聲器就很容易聽(tīng)見(jiàn)。用機(jī)械記錄器也可以記錄下來(lái)(關(guān)於放射性同位素的性質(zhì),可參閱聶依芒“放射性同位素在工業(yè)上的應(yīng)用”的導(dǎo)論,譯文見(jiàn)科學(xué)通報(bào)1955年2月號(hào))。二大陸法系早期的代和代際的代有關(guān)文獻(xiàn)放射性化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了上節(jié)所說(shuō)的事實(shí),並用實(shí)驗(yàn)証明後,便想拿來(lái)應(yīng)用到考古學(xué)上。並在1948年由考古學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家組織一個(gè)委員會(huì)來(lái)協(xié)助搜集和鑑定有關(guān)的古物標(biāo)本。最初是拿已知年代的古代有機(jī)物遺存做試驗(yàn),以考驗(yàn)所測(cè)定的結(jié)果是否和根據(jù)文獻(xiàn)所推知的估計(jì)相符合。1949年初次發(fā)表結(jié)果,到了1951年末,所做的試驗(yàn)標(biāo)本已達(dá)300種以上。現(xiàn)在選出幾個(gè)例子,列表於下(所列的年代都是指距今若干年,即從做試驗(yàn)時(shí)起算):這裏除了左賽墓出土的標(biāo)本所測(cè)定年代太低,其餘大致都還符合。那件不符合的標(biāo)本,或許是後世物混入墓內(nèi),或原物汚染了近代的炭素。像這種試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)計(jì)的相差很大的例子,曾發(fā)生過(guò)幾次。大多歸因於資料方面有問(wèn)題,雖然有時(shí)可能由於技術(shù)方面的欠缺。一般的結(jié)果可以說(shuō)已証明了炭14測(cè)定法的可靠,並且同時(shí)也証明了過(guò)去幾千年來(lái)空氣中炭素內(nèi)所含炭14的分量,保持一種平衡狀態(tài),和今日的相同。對(duì)於已知年代的標(biāo)本的試驗(yàn)成功以後,接著拿不知確實(shí)年代的標(biāo)本來(lái)做試驗(yàn),這是完全依靠所測(cè)定的炭14的含量來(lái)計(jì)算標(biāo)本的年代。因爲(wèi)炭14的測(cè)定法有相當(dāng)程度的誤差(說(shuō)明見(jiàn)下節(jié)),所以在有文獻(xiàn)記載的時(shí)期內(nèi),它所斷定的年代還是遠(yuǎn)不及文獻(xiàn)所供給的斷代材料的細(xì)密,只能作爲(wèi)校對(duì)或印證文獻(xiàn)材料之用。至於有文獻(xiàn)記載以前的年代,從前都是出於不可靠的推測(cè),時(shí)常引起爭(zhēng)執(zhí),難有定論。這這個(gè)測(cè)定法供給了客覌的解決方法。雖然它並不像文獻(xiàn)上年曆的那樣精密,但出入不大。對(duì)於斷定有文獻(xiàn)記載以前的時(shí)代,用處最大。現(xiàn)在根據(jù)已發(fā)表的材料,擧出幾個(gè)例子如下(所標(biāo)年代都是指距今年數(shù)):(1)法國(guó)1940年所發(fā)現(xiàn)的有壁畫(huà)的拉斯科山洞文化層中木炭(馬格德林期初期或稍早),15516±900;(2)法國(guó)拉加累內(nèi)山洞文化層(馬格德林期第Ⅲ分期)燒過(guò)的兩批獸骨標(biāo)本,11109±480和12986±560,含有燒過(guò)獸骨、木炭和泥砂的灰土,15847±1200;(3)美國(guó)拉布克地方,福爾索姆文化層(美洲最早的人類(lèi)文化遺跡)中燒過(guò)獸骨9883±350;(4)英國(guó)紐克州1949—50年發(fā)掘的斯塔卡爾遺址(中右器文化)出土的木材,9488土350;(5)英國(guó)昆布蘭地方溯畔居住遺址(新石器A文化)出土焦木4964±300;(6)英國(guó)斯同亨治(石欄)第32號(hào)柱洞所出的木炭(新石器晚期),3798±275;(7)伊拉克1950年發(fā)現(xiàn)的查摩文化(最早的新石器文化定居地遺址)蝸牛殼,6707±320;(8)埃及法雍伊A期文化(新石器)麥粒兩批標(biāo)本,6095±250和6391±180;(9)埃及開(kāi)羅附近埃爾俄馬利地方王朝前文化中期(新石器)遺址所出木炭,52566±230:(10)日本1948年發(fā)現(xiàn)的姥山貝冡底層(日本最早的房屋遺跡,屬於繩文土器文化)出土的木炭,4546±220;(11)中國(guó)遼寧普蘭店沼澤層出土蓮子,1040±210年。前面所擧的11個(gè)例子,在考古學(xué)上都是很有意義的。從前以爲(wèi)舊石器時(shí)代的馬格德林文化是距今5萬(wàn)至2萬(wàn)年?，F(xiàn)在根據(jù)炭14的測(cè)定,便應(yīng)該縮短了不少。美洲最早的文化遺跡,從前多以爲(wèi)是25,000年以前,現(xiàn)在知道距今僅10,000年左右,美洲才有人類(lèi)。北美洲的威斯康星冰期的曼卡托分期的年代,從前以爲(wèi)25,000年以前的事,現(xiàn)在由冰期堆積層中的樹(shù)木標(biāo)本5種的炭14的測(cè)定,可以斷定爲(wèi)11,000年前的事。美洲的最初殖民,便是在冰河北退後由亞洲經(jīng)白令海峽過(guò)去的。北美洲的這最後一次冰河的最後一分期,是和歐洲北部的是同一時(shí)代。後者的年代也曾由炭14測(cè)定法來(lái)確定過(guò)。這在地質(zhì)學(xué)上也解決了一個(gè)重要問(wèn)題。第(4)至(6)例所測(cè)定的年數(shù),顯示西歐由中石器文化演化到新石器文化的過(guò)程。第(7)至(9)例子,確定了近東新石器文化起源的年代。至於日本的新石器文化的開(kāi)始,從前有以爲(wèi)早到公元前3,000年以前,現(xiàn)在知道並沒(méi)有這樣早。普蘭店所出的蓮子,是日本人大賀一郎所採(cǎi)集的,據(jù)說(shuō)在普蘭店河畔古代泥炭層中發(fā)現(xiàn)的,並且據(jù)說(shuō)這泥炭層可能早到第四紀(jì)(更新統(tǒng))。大賀一郞曾經(jīng)使這種蓮子發(fā)了芽。當(dāng)時(shí)曾驚動(dòng)一時(shí),以爲(wèi)居然使幾千年或甚至萬(wàn)年以前的蓮子發(fā)了芽?，F(xiàn)在根據(jù)炭14含量的測(cè)定,知道它們距今不過(guò)1040±210年而已。就上面所說(shuō)的結(jié)果,便可以知道這測(cè)定法的重要性。從前對(duì)於有文獻(xiàn)記載以前的年代,只能根據(jù)地層的証據(jù)以確定各有關(guān)的文化的相對(duì)年代,譬如說(shuō),仰韶文化早於龍山文化,龍山文化又早於殷商。至於絕對(duì)年代,便無(wú)法確知;有些人加以大膽的推測(cè),譬如安特生所推定的甘肅“史前文化”六期的年代,但決不能取得大家的同意和信任。有些文化因爲(wèi)沒(méi)有地層証據(jù)可以與別的文化發(fā)生關(guān)係,因之,連它們的相對(duì)年代也不能確定。我們想要知道一個(gè)區(qū)域內(nèi)文化的演化階段的先後,和各階段演化的遲速,我們須要知道它們的絕對(duì)年代。我們想要知道毗連區(qū)域的文化到底是誰(shuí)影響了誰(shuí),也須要先知道它們的絕對(duì)年代,以便確定它們的先後。雖然我們也可用遺物的形態(tài)的比較來(lái)推測(cè)它們的先後,但一般考古工作者都知道這種型式學(xué)的証據(jù)常常是靠不住的?，F(xiàn)在這炭14測(cè)定法給予了我們以有利的武器,使我們可以解決這些困難的年代問(wèn)題。但是這測(cè)定法也有它的局限性。由上節(jié)所引的測(cè)定數(shù)字,我們可以看出來(lái),所測(cè)定的年代並不能精密到可以確定在那一年。測(cè)定數(shù)的“誤差”是100年到1200年不等。這誤差的大小,一方面是和標(biāo)本的年代遠(yuǎn)近有關(guān),因爲(wèi)炭14的半衰期的測(cè)定中已有±30年的誤差,即每一個(gè)半衰期便有這樣大的誤差。年代越長(zhǎng),誤差當(dāng)然也越大。另一方面,也和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)。普通這種實(shí)驗(yàn)是繼續(xù)48小時(shí)。如果計(jì)數(shù)的時(shí)間拉長(zhǎng),誤差也可減少。有人以爲(wèi)“±100年”是表示錯(cuò)誤不會(huì)超過(guò)100年。這說(shuō)法是不正確的。“誤差”這名辭和代表它的符號(hào),是統(tǒng)計(jì)學(xué)上所用以表示“標(biāo)準(zhǔn)差”的。它的意義是:眞實(shí)的年代在這標(biāo)準(zhǔn)差以外的或然率僅只有1/3,在這標(biāo)準(zhǔn)差加倍數(shù)以外的或然率僅只有1/20。拿我們?cè)谏瞎?jié)所擧的第一個(gè)測(cè)定年數(shù)4883±200作爲(wèi)例子。這是說(shuō)眞實(shí)的年代在距今5083—4683年間的可能性是2/3,在這範(fàn)圍以外的可能性只有1/3。在距今5283—4483年間的可能性是19/20,在這以外的只有1/20。這是統(tǒng)計(jì)學(xué)上一般所用的意義。另一種限制是由於炭14的放射性的低微,現(xiàn)下的技術(shù)只能測(cè)定25,000年以?xún)?nèi)的年代。因爲(wèi)它的半衰期是5568±30年,我們可用它的約數(shù)6,000年來(lái)計(jì)算一下,便可知道經(jīng)過(guò)了12,000年只剩1/4,18,000年只剩1/8,24,000年只剩1/16,經(jīng)過(guò)了這第四個(gè)半衰期,所剩餘的放射性便太過(guò)於微弱了。最近聽(tīng)說(shuō)企圖用提鍊試樣使?jié)饣姆椒ㄒ员隳軠y(cè)定到30,000年,但還未成功。所以像北京猿人時(shí)代的標(biāo)本,已超出這年代的範(fàn)圍以外,現(xiàn)下是不能使用這方法的來(lái)測(cè)定的。最後,我們談一談試樣的質(zhì)量和分量。這些古代有機(jī)物的試樣一定要純粹未經(jīng)汚染的。如果混入時(shí)代較近的有機(jī)物,縱使是草根的殘絲,菌的粒點(diǎn),都要影響到測(cè)定的正確性。如果地層不淸楚,所用的標(biāo)本整個(gè)是近代的東西,那麼測(cè)定的結(jié)果不僅完全不能用,反會(huì)引起錯(cuò)誤的推論?？脊虐l(fā)掘時(shí)採(cǎi)集標(biāo)本要特別留意。儲(chǔ)藏和寄遞時(shí)也都要注意,不要使之潮濕生,不要用棉花包裹以致混入織維。極據(jù)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn),試樣的材料最好是木炭或燒成炭的其他有機(jī)物如獸骨獸之類(lèi),其次是木頭,或草、布和泥炭,再其次爲(wèi)保存良好的鹿角和貝殼。至於獸骨因爲(wèi)所含炭素極少,須要大量標(biāo)本,並且質(zhì)如海綿多孔,易受沾染,所以不大適用。燒過(guò)的骨頭因爲(wèi)當(dāng)時(shí)所含的有機(jī)質(zhì)未經(jīng)腐化消失,也燒成炭素,所以和木炭一樣適用。試樣的分量,每一回試驗(yàn)須要純粹炭素10—12克。爲(wèi)了獲得正確的結(jié)果,最好是能做兩回或更多的試驗(yàn)。各種不同性質(zhì)的試樣,以?xún)苫赜?jì)算,所須要的分量如下(克爲(wèi)單位):木炭65,木頭、草或泥炭130,保存良好的貝殼260,燒過(guò)的骨1,000,鹿角或其他角質(zhì)物1,000—1,500。從前做考古發(fā)掘工作的,對(duì)於這些東西,時(shí)常完全丟掉不要;或僅加記錄,而拋棄實(shí)物,不加採(cǎi)取。現(xiàn)在我們知道了它們的重要性,今後做發(fā)掘工作時(shí),要特別加以注意。(以上各節(jié)材料,根據(jù)利俾所著的“放射性炭素測(cè)定年代法”一書(shū)(W.FLibby,RadiocarbonDating,1952,UniversityofChi