化学情境试题:考古学家的碳-14测年法(Carbon-14

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发布时间:06-19 14:07


在回答问题之前,首先请你阅读与本试题有关的情境描述,以增加你对本试题背景知识的了解;然后思考问题解决的策略,并且写下你的答案;最后用我们提供的参考答案检查你的答案是否正确。

情境描述

当人们看见一件很古老的物品,最常见的疑问是「这是几年前的古物?」,考古学家和你一样,也很想知道古物到底有多古老(图一)。随着科技的日新月异,考证年代的技术越来越多,也越来越精準,但是在诸多的方法之中,以「碳-14测年法(carbon-14 dating)」最为普遍,此方法係在1948年由一位曾从事原子弹研究的芝加哥大学里比(W. F. Libby)及其同事所发现。这使考古学家与地球科学家大幅扩展对过去历史的认知,也由于这项卓越贡献,因而获颁诺贝尔化学奖。

化学情境试题:考古学家的碳-14测年法(Carbon-14
图一  考古学家挖掘古物
图片来源:Wessex Archaeology, http://www.flickr.com/photos/wessexarchaeology/51572936/

自然界中存在三种碳的同位素,分别为碳-12、碳-13及碳-14,在地球上有98.89%的碳以碳-12的形式存在,有大约1.11%的碳以碳-13的形式存在,只有10-10%是以碳-14存在大气中。放射性元素碳-14的形成,乃是透过各种宇宙射线与地球外层大气撞击而产生的中子,再与大气中的氮原子作用,释放出质子。碳-14经由β衰变会逐渐蜕变成氮,蜕变的速率为约每5730年放射性活性减少一半,我们称这种递减所需的时间为「半衰期(t1/2)」,如图二所示。

化学情境试题:考古学家的碳-14测年法(Carbon-14
图二 放射活性与半衰期的关係

碳-14与氧结合生成二氧化碳(14CO2),与普通的不具放射性的碳-12(12CO2)共存于地球大气和水中,为生物所吸收:植物吸收二氧化碳作为光合作用的原料,各种动物及人类又以植物为食物,因此在所有进入生物体内的碳元素中便存有少量的碳-14,生物体藉由呼吸或光合作用,随时补充蜕变掉的碳-14,其放射性活性(A0)乃保持与大气平衡的状态;一旦生物体死亡,与大气停止交换,体内碳-14放射性活性(A )就按指数规律减少,在已知碳-14的半衰期(t1/2)下,藉由测量 与 的值,就能定出生物体从死亡至今的绝对年代(t)。放射性活性与衰变时间的关係式如下所示:
化学情境试题:考古学家的碳-14测年法(Carbon-14

情境试题

1. 已知各种碳同位素原子量分别为:12C = 12.0000 amu,13C = 13.00335 amu,14C = 14.00317 amu,试求碳的平均原子量。

2. 根据「情境描述」,回答下面的问题。
(1) 请写出放射性元素碳-14形成的核反应式(必须标示元素的质量数合原子序)。
(2) 碳-14经β衰变后的产物为氮,试叙述氮-14原子的内部含有中子、质子和电子的数量各为多少?

3. 考古学家发现非洲洞穴中一处火堆余烬,测得每公克碳标本每分钟碳-14衰变3.1次,假设由新鲜木头缺口测得衰变速率为每克碳标本每分钟碳-14衰变13.6次(此衰变用大气中碳-14含量的改变作校正),试求此火堆余烬的年代。

连结:考古学家的碳-14测年法(Carbon-14 Dating in Archaeology)〔II〕

参考资料(以下网页撷取日期:2010年2月)



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