放射性炭素年代測定

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放射性炭素年代測定法（炭素年代測定法または炭素14年代測定法とも呼ばれます）は、炭素の放射性同位体である放射性炭素の特性を使用して、有機物を含む物体の年代を決定する方法です。

この方法は、1940年代後半にシカゴ大学でウィラード・リビーによって開発されました。それは放射性炭素（14
C ）は、宇宙線と大気中の窒素との相互作用によって、地球の大気中に絶えず生成されています。結果として14
Cは大気中の酸素と結合して放射性二酸化炭素を形成し、光合成によって植物に取り込まれます。動物はそれから獲得します14
植物を食べてC。動物や植物が死ぬと、それはその環境との炭素の交換を停止し、その後、14
含まれているCは、14
Cは放射性崩壊を起こします。の量を測定する14
木片や骨片など、死んだ植物や動物のサンプルに含まれるCは、動物や植物がいつ死んだかを計算するために使用できる情報を提供します。サンプルが古いほど、少なくなります14
C検出される必要があり、半減期が14
C（特定のサンプルの半分が崩壊するまでの期間）は約5、730年であり、このプロセスで確実に測定できる最も古い日付は約50、000年前ですが、特別な準備方法によって古いものを正確に分析できる場合があります可能なサンプル。リビーは、1960年に彼の業績で ノーベル化学賞を受賞しました。

1960年代から研究が続けられており、 14
大気中のCは過去5万年以上前から存在しています。結果として得られるデータは、検量線の形式で、サンプル内の放射性炭素の特定の測定値をサンプルの暦年の推定値に変換するために使用されます。の割合を考慮して、他の修正を行う必要があります14
さまざまな種類の生物のC （分別）、およびさまざまなレベルの14
生物圏全体のC（貯留効果）。さらに複雑なのは、石炭や石油などの化石燃料の燃焼、および1950年代と1960年代に行われた地上核実験からです。生物材料を化石燃料に変換するのにかかる時間は、その時間よりもかなり長いからです。14
Cは検出可能なレベル以下に減衰し、化石燃料にはほとんど含まれていません14
C。 _ その結果、19世紀後半から、14
化石燃料の燃焼によって発生する二酸化炭素が大気中に蓄積し始めたため、C 。逆に、核実験は14
大気中のCは、核実験前の大気中に存在していた量のほぼ2倍の1965年頃に最大に達しました。

放射性炭素の測定は、もともと、崩壊によって放出されたベータ線の量を数えるベータ計数装置によって行われていました。14
サンプル中のC原子。最近では、加速器質量分析が最適な方法になっています。それはすべてを数えます14
サンプル中のC原子であり、測定中にたまたま崩壊する少数の原子だけではありません。したがって、はるかに小さいサンプル（個々の植物の種子と同じくらい小さい）で使用でき、結果がはるかに速くなります。放射性炭素年代測定の開発は、考古学に大きな影響を与えました。以前の方法よりも遺跡内でより正確な年代測定を可能にすることに加えて、それは長距離にわたるイベントの日付の比較を可能にします。考古学の歴史は、しばしばその影響を「放射性炭素革命」と呼んでいます。放射性炭素年代測定により、最終氷河期の終わりや、さまざまな地域 での新石器時代と青銅器時代の始まりなど、先史時代の重要な移行を年代測定することができました。

背景

歴史

1939年、バークレー校の放射線研究所のMartinKamenとSamuelRubenは、有機物に共通する元素のいずれかに、生物医学研究で価値のある十分な長さの半減期を持つ同位体があるかどうかを調べる実験を開始しました。彼らは合成した14
Cは実験室のサイクロトロン加速器を使用し、すぐに原子の半減期が以前に考えられていたよりもはるかに長いことを発見しました。[1]これに続いて、フィラデルフィアのフランクリン研究所で採用されたセルジュA.コルフによる、熱中性子と14
上層大気のNは14
C。 _ 【注1】【3】【4】以前は14
Cは、相互作用する重水素によって作成される可能性が高くなります13
C。 _ [1]第二次世界大戦中のある時期に、当時バークレーにいたウィラード・リビーは、コルフの研究を知り、放射性炭素を年代測定に使用できるかもしれないという考えを思いついた。[3] [4]

1945年、リビーはシカゴ大学に移り、そこで放射性炭素年代測定の研究を始めました。彼は1946年に論文を発表し、生物中の炭素には次のものが含まれる可能性があると提案しました。14
Cおよび非放射性炭素。[5] [6]リビーと数人の共同研究者は、ボルチモアの下水処理場から収集されたメタンの実験を進め、サンプルを同位体濃縮した後、それらが含まれていることを実証することができました。14
C。 _ 対照的に、石油から生成されたメタンは、その年齢のために放射性炭素活性を示しませんでした。結果は1947年のScienceの論文にまとめられており、著者らは、その結果は有機起源の炭素を含む材料の年代測定が可能であることを示唆しているとコメントしています。[5] [7]

LibbyとJamesArnoldは、既知の年代のサンプルを分析することにより、放射性炭素年代測定理論のテストを進めました。たとえば、エジプトの2人の王、ゾセルとスネフェルの墓から採取された2つのサンプルは、紀元前2625年プラスマイナス75年と独立して年代測定され、放射性炭素測定によって紀元前2800年プラスマイナス250年の平均で年代測定されました。これらの結果は1949年12月にScienceに発表されました。 [8] [9] [注2] 発表から11年以内に、世界中に20を超える放射性炭素年代測定研究所が設立されました。[11] 1960年、リビーはこの作品でノーベル化学賞を受賞しました。[5]

物理的および化学的詳細

自然界では、炭素は3つの同位体、2つの安定した非放射性物質として存在します：炭素12（12
C）、および炭素-13（13
C）、および放射性炭素-14（14
C）、「放射性炭素」としても知られています。の半減期14
C（与えられた量の半分にかかる時間14
崩壊するC ）は約5、730年であるため、大気中の濃度は数千年にわたって減少すると予想されるかもしれませんが、14
Cは、主に銀河宇宙線によって、そしてより少ない程度で太陽宇宙線によって、下部成層圏と上部対流圏で絶えず生成されています。[5] [12]これらの宇宙線は、大気中を移動するときに中性子を生成し、窒素14（14
N）原子とそれらをに変換します14
C。 _ [5]次の核反応が主な経路です14
Cが作成されます：

n + 14
7N
 → 14
6C
 + p

ここで、nは中性子を表し、pは陽子を表します。[13] [14] [注3]

生産されると、14
Cは、大気中の酸素（O）とすばやく結合して、最初の一酸化炭素（CO）[14]を形成し、最終的に二酸化炭素（CO ）を形成します。
2）。[15]

14
C + O
2 → 14
CO + O
14
CO + OH→14
CO
2+ H

このようにして生成された二酸化炭素は、大気中に拡散し、海洋に溶解し、光合成によって植物に吸収されます。動物は植物を食べ、最終的に放射性炭素は生物圏全体に分布します。の比率14
Cから12
Cは約1.25の部分です14
Cから1012部12
C。 _ [16]さらに、炭素原子の約1％は安定同位体です。13
C。 _ [5]

の放射性崩壊の方程式14
Cは：[17]

14
6C
 → 14
7N
+
e−
+
ν
e

ベータ粒子（電子、e −）と電子反ニュートリノ（
ν
e）、中性子の1つ14
C原子核は陽子に変わり、14
C核は安定した（非放射性）同位体に戻ります14
N。 _ [18]

原則

その生涯の間、植物または動物は、大気またはその食事を通して炭素を交換することによって、その周囲と平衡状態にあります。したがって、同じ割合になります14
大気としてのC、または海洋動植物の場合は海洋。それが死ぬと、それは獲得をやめます14
C、しかし14
その時の生体物質内のCは崩壊し続けるので、14
Cから12
その残骸のCは徐々に減少します。なぜなら14
Cは既知の速度で崩壊します。放射性炭素の割合を使用して、特定のサンプルが炭素の交換を停止してからの経過時間を判断できます。サンプルが古いほど、放射性炭素の量は少なくなります。14
Cが残ります。[16]

放射性同位元素の崩壊を支配する方程式は次のとおりです。[5]

ここで、N 0は元のサンプルの同位体の原子数（時間t = 0で、サンプルが採取された生物が死亡したとき）であり、Nは時間tの後に残っている原子の数です。[5] λは特定の同位体に依存する定数です。与えられた同位体の場合、それは平均寿命の逆数に等しくなります 。つまり、与えられた原子が放射性崩壊を受ける前に生き残る平均時間または予想時間です。[5] τで表される平均寿命14
Cは8、267年であるため、[注4]上記の式は次のように書き直すことができます。[20]

サンプルは元々同じであったと想定されます14
C /12
大気中の比率としてのC比、およびサンプルのサイズがわかっているため、サンプル内の原子の総数を計算できます。14
元のサンプルのC原子。Nの測定、の数14
現在サンプルに含まれているC原子により、上記の式を使用して、サンプルの年齢であるtを計算できます。[16]

放射性同位元素の半減期（通常はt 1/2で表される）は平均寿命よりもよく知られている概念であるため、上記の式は平均寿命で表されますが、より一般的にはの値14
Cの平均寿命よりも半減期。の半減期について現在受け入れられている値14
Cは5,730±40年です。[5]これは、5、730年後、最初の半分だけであることを意味します14
Cは残ります。4分の1は11、460年後も残ります。17、190年後の8分の1。等々。

上記の計算では、次のようないくつかの仮定があります。 14
大気中のCは、時間の経過とともに一定に保たれています。[5]実際、14
大気中のCは大幅に変動しているため、上記の式で得られる値は、他のソースからのデータを使用して修正する必要があります。[21]これは、次の測定値を変換する検量線（以下で説明）によって行われます。14
推定暦年齢へのサンプルのC。計算にはいくつかのステップが含まれ、サンプルの「放射性炭素年代」の年齢である「放射性炭素年代」と呼ばれる中間値が含まれます。放射性炭素年代で引用された年代は、検量線が使用されていないことを意味します-放射性炭素年代の計算大気を仮定する14
C /12
C比は時間の経過とともに変化していません。[22] [23]

放射性炭素年代の計算には、半減期の値も必要です。14
C。 _ リビーの1949年の論文では、エンゲルケマイアらの研究に基づいて、5720±47年の値を使用しました。[24]これは現代の値に非常に近いものでしたが、その後まもなく、受け入れられた値は5568±30年に修正され[25]、この値は10年以上使用されていました。1960年代初頭に5,730±40年に改定され[26] [27]、これ以前に発表された論文の多くの計算日が正しくなかった（半減期の誤差は約3％）。【注5】これらの初期の論文との一貫性を保つために、1962年にケンブリッジ（英国）で開催された放射性炭素会議で、5568年の「Libby半減期」を使用することが合意されました。放射性炭素年代は今でもこの半減期を使用して計算されており、「従来の放射性炭素年代」として知られています。検量線（IntCal）も過去の大気を報告するので14
この従来の年齢を使用したC濃度、IntCal曲線に対して較正された従来の年齢は、正しい較正された年齢を生成します。日付が引用される場合、それが未校正の日付（放射性炭素年で与えられる日付に使用される用語）である場合、それが間違った値を使用するため、実際の暦日の最良の推定値と大幅に異なる可能性があることに注意する必要がありますの半減期のために14
C、および補正（キャリブレーション）が適用されていないため、14
時間の経過とともに大気中のC。[22] [23] [29] [注6]

カーボン交換リザーバー

炭素交換貯留層の簡略化されたバージョンで、炭素の比率との相対的な活動を示しています14
各貯水池のC [5] [注7]

炭素は大気、生物圏、海洋全体に分布しています。これらはまとめて炭素交換リザーバーと呼ばれ[32]、各コンポーネントは個別に炭素交換リザーバーとも呼ばれます。炭素交換貯留層のさまざまな要素は、それらが貯蔵する炭素の量と、14
宇宙線と完全に混ざり合うことによって生成されたC。これはの比率に影響します14
Cから12
異なる貯留層のC、したがって各貯留層で発生したサンプルの放射性炭素年代。[5]どこにある雰囲気14
Cが生成され、貯留層内の総炭素の約1.9％を含み、14
Cそれは7年未満でミックスを含んでいます。[33]の比率14
Cから12
大気中のCは、他の貯留層のベースラインとして採用されます。別の貯留層の比率が低い場合14
Cから12
C、それは炭素がより古いことを示し、したがって、14
Cが崩壊したか、貯留層が大気ベースラインにない炭素を受け取っています。[21]海面はその一例です。交換貯水池には2.4％の炭素が含まれていますが、その量は約95％にすぎません。14
比率が大気中と同じである場合に予想されるようにC。[5]大気からの炭素が表層海洋と混合するのにかかる時間はわずか数年ですが[34]、表層水は深海からも水を受け取ります。深海は炭素の90％以上を含んでいます。貯水池。[21]海洋深層水は、地表水を循環して戻るのに約1、000年かかるため、地表水には古い水と枯渇した水の組み合わせが含まれています。14
C、そして最近表面に水があり、14
大気と平衡状態にあるC。[21]

海面に生息する生き物は同じです14
彼らが住んでいる水としてのC比、および減少の結果として14
C /12
C比、海洋生物の放射性炭素年代は通常約400年です。[35] [36]陸上の生物は大気とより密接に平衡状態にあり、同じものを持っています14
C /12
大気としてのC比。[5] [注8]これらの生物は、貯水池に約1.3％の炭素を含んでいます。海の生物の質量は陸上の生物の1％未満であり、図には示されていません。植物と動物の両方で蓄積された死んだ有機物は、生物圏の質量を3倍近く超えており、この物質はもはやその環境と炭素を交換していないため、14
C /12
生物圏よりも低いC比。[5]

デートの考慮事項

のバリエーション 14
C /12
炭素交換貯留層のさまざまな部分のC比は、サンプルの量に基づいてサンプルの年齢を簡単に計算できることを意味します。14
含まれているCは、多くの場合、誤った結果をもたらします。考慮する必要のあるエラーの原因は他にもいくつか考えられます。エラーには、次の4つの一般的なタイプがあります。

  • のバリエーション 14
    C     /12
    地理的にも時間的にも、大気中のC    比。
  • 同位体分別;
  • のバリエーション 14
    C     /12
    貯水池のさまざまな部分のC比。
  • 汚染。

大気変動

大気 14
北半球と南半球のCは、爆弾前のレベルを超えるパーセンテージを示しています。部分的核実験禁止条約は1963年10月10日に発効した。[37]

この技術を使用した初期の頃は、それが大気に依存していることが理解されていました14
C /12
C比は過去数千年にわたって同じままでした。メソッドの精度を検証するために、他の手法でデータ化可能ないくつかのアーティファクトがテストされました。テストの結果は、オブジェクトの実際の年齢と合理的に一致していました。しかし、時が経つにつれて、最も古いエジプト王朝の既知の年代学とエジプトの遺物の放射性炭素年代との間に矛盾が現れ始めました。既存のエジプトの年代学も新しい放射性炭素年代測定法も正確であるとは想定できませんでしたが、3番目の可能性は14
C /12
C比は時間とともに変化していました。この問題は、年輪の研究によって解決されました。[38] [39] [40]重複する一連の年輪を比較することで、8、000年にわたる年輪データの連続シーケンスを構築できました。[38]（それ以来、年輪のデータ系列は13、900年に延長されました。）[29] 1960年代に、ハンス・スースは年輪のシーケンスを使用して、放射性炭素に由来する日付がエジプト学者によって割り当てられた日付。これが可能だったのは、トウモロコシなどの一年生植物には14
C /12
成長時の大気比を反映するC比。樹木は、特定の年に最も外側の年輪にのみ材料を追加しますが、内側の年輪はそれらを取得しません。14
Cが補充され、代わりに負け始めます14
崩壊によるC。したがって、各リングは大気の記録を保存します14
C /12
それが成長した年のC比。年輪自体からの木材の放射性炭素年代測定は、大気に必要なチェックを提供します14
C /12
C比：既知の日付のサンプル、およびNの値（の原子数14
サンプルに残っているC）、放射性炭素年代測定式により、N 0 –の原子数の計算が可能になります。14
年輪が形成されたときのサンプルのC–したがって、14
C /12
その時の大気中のC比。[38] [40]樹木リングの放射性炭素年代測定の結果を備えて、時間の経過に伴う変動によって引き起こされる誤差を補正するように設計された検量線を作成することが可能になりました。14
C /12
C比。[41]これらの曲線については、以下で詳しく説明します。

石炭と石油は19世紀に大量に燃やされ始めました。どちらも十分に古いため、検出可能なものはほとんどまたはまったく含まれていません14
Cと、その結果、CO
2大気を大幅に希釈して放出14
C /12
C比。したがって、20世紀初頭のオブジェクトの日付は、実際の日付よりも古い見かけの日付になります。同じ理由で、14
大都市近郊のC濃度は、大気中の平均よりも低い。この化石燃料効果（1955年に最初に報告したハンス・スースにちなんで、スース効果としても知られています）は、14
化石燃料からの追加の炭素が炭素交換貯留層全体に分配された場合のC活動ですが、深海との混合が大幅に遅れるため、実際の効果は3％減少します。[38] [42]

はるかに大きな効果は、地上の核実験からもたらされます。これは、大気中に多数の中性子を放出し、その結果、14
C。 _ 1950年頃から1963年にかけて、大気中の核実験が禁止されたとき、数トンの14
Cが作成されました。このすべての余分な場合14
Cはすぐに炭素交換貯水池全体に広がっていたので、14
C /12
C比はわずか数パーセントですが、当面の効果は、14
大気中のC。ピークレベルは1964年に北半球で、1966年に南半球で発生します。この爆弾パルスまたは「爆弾カーボン」（時々呼ばれる）が貯水池の残りの部分に浸透するにつれて、レベルはその後低下しました。[38] [42] [43] [37]

同位体分別

光合成は、炭素が大気から生物に移動する主要なプロセスです。光合成経路において12
Cはよりわずかに吸収されやすい13
C、これは順番により簡単に吸収されます14
C。 _ 3つの炭素同位体の異なる取り込みは13
C /12
Cと14
C /12
大気中の比率とは異なる植物のC比率。この効果は、同位体分別として知られています。[44] [45]

与えられた植物で起こる分別の程度を決定するために、両方の量 12
Cと13
C同位体が測定され、結果は13
C /12
次に、 C比がPDBと呼ばれる標準比と比較されます。【注9】13
C /12
代わりにC比が使用されます14
C /12
前者は測定がはるかに簡単であり、後者は簡単に導き出すことができるため、C ：13
に関連するC12
Cは、2つの同位体の原子量の差に比例するため、14
Cはの2倍の枯渇です13
C。 _ [21]の分別13
δ13​​Cとして知られるCは、次のように計算されます。[44]

‰

ここで、‰記号は1000分の1を示します。[44] PDB標準には異常に高い割合の13
C、[注10]最も測定されたδ13​​C値は負です。

ノースロナルドセイのビーチでノースロナルドセイ羊。冬には、これらの羊はδ13​​Cが高い海藻を食べます草よりも内容; これらの羊からのサンプルはδ13Cを持っています約-13‰の値で、草を食べている羊よりもはるかに高い値です。[44]
材料 典型的なδ13​​C範囲
PDB 0‰
海洋プランクトン −22‰〜−17‰ [45]
C3植物 −30‰〜−22‰ [45]
C4植物 −15‰〜−9‰ [45]
大気CO
2		 −8‰ [44]
マリンCO
2		 −32‰〜−13‰ [45]

海洋生物の場合、光合成反応の詳細はあまりよく理解されておらず、δ13​​C海洋光合成生物の値は温度に依存します。高温では、CO
2水への溶解度が低く、 COが少ないことを意味します
2光合成反応に利用できます。これらの条件下では、分別が減少し、14°Cを超える温度ではδ13​​C値はそれに応じて高くなりますが、低温ではCO
2溶解性が高くなり、海洋生物が利用しやすくなります。[ 45 ] δ13​​C _動物の価値は彼らの食事に依存します。δ13​​Cの高い餌を食べる動物値はより高いδ13​​Cを持ちますδ13​​Cの低い食品を食べる人よりも値。[44]動物自身の生化学的プロセスも結果に影響を与える可能性があります。たとえば、骨ミネラルと骨コラーゲンの両方は、通常、より高い濃度を持っています13
生化学的理由は異なるが、動物の食餌に見られるよりもC。骨の濃縮13
Cはまた、排泄された物質が枯渇していることを意味します13
食事と比較してC。[48]

以来13
Cはサンプル中の炭素の約1％を占め、13
C /12
C比は質量分析により正確に測定できます。[21] δ13​​Cの典型的な値多くの植物、および骨コラーゲンなどの動物のさまざまな部分の実験によって発見されていますが、特定のサンプルを年代測定する場合は、δ13Cを決定する方が適切です。公開された値に依存するよりも、そのサンプルの値を直接指定します。[44]

大気中のCO間の炭素交換
2また、海面の炭酸塩も分別されます。14
大気中のCよりも可能性が高い12
海に溶けるC。その結果、全体的な増加が見られます。14
C /12
海洋におけるC比は1.5％であり、14
C /12
大気中のC比。この増加14
C濃度は、水の湧昇によって引き起こされる減少をほぼ正確に相殺します（古いものを含み、したがって14
深海からのC枯渇、炭素）、そのため、14
C放射線は、残りの生物圏の測定と同様です。生物圏のさまざまな部分からの結果を比較できるようにすべての放射性炭素年代測定で行われているように、同位体分別を補正すると、海面水で約400歳の見かけの年齢が得られます。[21] [36]

貯留効果

リビーの元々の交換貯水池仮説は、 14
C /12
交換貯留層のC比は世界中で一定ですが[49]、その後、貯留層全体の比の変動にはいくつかの原因があることが発見されました。[35]

海洋効果

CO _
2大気中は、炭酸イオンおよび重炭酸イオンとして地表水に溶解することにより、海洋に移動します。同時に、水中の炭酸イオンはCOとして空気に戻ります
2。[49]この交換プロセスは14
大気から海の表層水へのC 、しかし14
このように導入されたCは、海全体に浸透するのに長い時間がかかります。海の最深部は地表水と非常にゆっくりと混ざり合い、混ざり合いは不均一です。深層水を地表にもたらす主なメカニズムは湧昇であり、これは赤道に近い地域でより一般的です。湧昇は、地元の海底や海岸線の地形、気候、風のパターンなどの要因によっても影響を受けます。全体として、深層水と地表水の混合は、大気中のCOの混合よりもはるかに長い時間がかかります
2地表水で、その結果、いくつかの深海地域からの水は、数千年の見かけの放射性炭素年代を持っています。湧昇は、この「古い」水を地表水と混合し、地表水に約数百年の見かけの年齢を与えます（分別を補正した後）。[35]この効果は均一ではありません。平均効果は約400年ですが、地理的に近い地域では数百年の局所的な偏差があります。[35] [36]これらの偏差はキャリブレーションで説明でき、CALIBなどのソフトウェアのユーザーは、サンプルの位置に適切な補正を入力として提供できます。[15]この効果は、貝殻などの海洋生物や、放射性炭素年代が数百年と思われるクジラやアザラシなどの海洋哺乳類にも当てはまります。[35]

半球効果

北半球と南半球は、互いに十分に独立している大気循環システムを備えているため、2つの半球の混合には顕著なタイムラグがあります。大気14
C /12
南半球ではC比が低く、北に比べて南からの放射性炭素の結果の見かけの追加年齢は約40歳です。[注11]これは、南半球の海の表面積が大きいということは、北よりも海と大気の間でより多くの炭素が交換されることを意味するためです。表面の海が枯渇しているので14
C海洋効果のため、14
Cは、北よりも早く南の大気から除去されます。[35] [50]効果は、南極周辺の強い湧昇によって強化されます。[12]

その他の効果

淡水中の炭素が岩石などの老朽化した炭素から部分的に取得された場合、結果として14
C /12
水中のC比。たとえば、ほとんどが炭酸カルシウムで構成されている石灰岩を通過する川は、炭酸イオンを獲得します。同様に、地下水には、地下水が通過した岩石に由来する炭素が含まれている可能性があります。これらの岩石は通常非常に古いため、測定可能なものは含まれていません14
C、したがってこの炭素は14
C /12
それが入る水のC比。これは、影響を受けた水とそこに生息する植物および淡水生物の両方にとって、数千年の見かけの年齢につながる可能性があります。[21]これは、硬水の特徴であるカルシウムイオンと関連していることが多いため、硬水効果として知られています。腐植土などの他の炭素源も同様の結果をもたらす可能性があり、サンプルよりも最近の起源である場合は、見かけの年齢を下げることもできます。[35]効果は大きく異なり、適用できる一般的なオフセットはありません。オフセットのサイズを決定するには、通常、堆積した淡水貝殻の放射性炭素年代を関連する有機物質と比較するなどして、追加の調査が必要です。[51]

火山の噴火は、大量の炭素を大気中に放出します。炭素は地質学的起源であり、検出可能なものはありません14
C、だから14
C /12
火山周辺のC比は、周辺地域に比べて低くなっています。休火山も老朽化した炭素を放出する可能性があります。この炭素を光合成する植物はまたより低い14
C /12
C比：たとえば、アゾレス諸島のフルナスカルデラの近くの植物は、 250年から3320年の範囲の見かけの年齢を持っていることがわかりました。[52]

汚染

異なる年代のサンプルに炭素を追加すると、測定日が不正確になります。最新のカーボンによる汚染により、サンプルは実際よりも若く見えるようになります。古いサンプルの方が効果が大きくなります。17、000年前のサンプルが汚染されていて、サンプルの1％が現代の炭素である場合、600年若いように見えます。34、000年前のサンプルの場合、同じ量の汚染は4、000年の誤差を引き起こします。古い炭素による汚染、残りなし14
Cは、年齢に関係なく反対方向にエラーを引き起こします。1％の古い炭素で汚染されたサンプルは、サンプルの日付に関係なく、実際よりも約80年古いように見えます。[53]

サンプル

年代測定用のサンプルは、測定に適した形式に変換する必要があります14
Cコンテンツ; これは、使用する測定技術に応じて、気体、液体、または固体の形態への変換を意味する場合があります。これを行う前に、サンプルを処理して汚染物質や不要な成分を除去する必要があります。[54]これには、埋葬後にサンプルに浸透した可能性のある細根などの目に見える汚染物質の除去が含まれます。[54]アルカリおよび酸洗浄を使用して、フミン酸および炭酸塩の汚染を除去できますが、テストする炭素を含むサンプルの部分を除去しないように注意する必要があります。[55]

重要な考慮事項

  • 試験前に木材サンプルをセルロース成分のみに減らすのが一般的ですが、これによりサンプルの体積が元のサイズの20％に減少する可能性があるため、木材全体の試験も行われることがよくあります。木炭はしばしばテストされますが、汚染物質を除去するために処理が必要になる可能性があります。[54] [55]
  • 未燃の骨をテストすることができます。骨の構造材料を洗い流した後に残るタンパク質画分であるコラーゲンを使用して日付を記入するのが通常です。骨の構成アミノ酸の1つであるヒドロキシプロリンは、骨以外で発生することが知られていなかったため、かつては信頼できる指標であると考えられていましたが、その後地下水で検出されています。[54]
  • 焼けた骨の場合、テスト可能性は骨が焼けた条件によって異なります。骨が還元条件下で加熱された場合、骨（および関連する有機物）は炭化されている可能性があります。この場合、サンプルは多くの場合使用可能です。[54]
  • 海洋生物と陸生生物の両方の貝殻は、アラゴナイトまたは方解石、あるいはその2つの混合物として、ほぼ完全に炭酸カルシウムで構成されています。炭酸カルシウムは溶解と再結晶の影響を非常に受けやすいです。再結晶した物質には、地質学的起源の可能性があるサンプルの環境からの炭素が含まれます。再結晶したシェルのテストが避けられない場合は、一連のテストから元のシェルの材料を特定できる場合があります。[56]殻に含まれる有機タンパク質であるコンキオリンをテストすることも可能ですが、それは殻の材料の1〜2％しか構成していません。[55]
  • 泥炭の3つの主要な成分は、フミン酸、フミン、およびフルボ酸です。これらのうち、ヒューミンはアルカリに不溶性であり、サンプルの環境からの汚染物質を含む可能性が低いため、最も信頼できる日付を示します。[55]乾燥した泥炭の特に困難な点は、サンプル材料と区別するのが難しいと思われる細根の除去です。[54]
  • 土壌には有機物が含まれていますが、より最近の起源のフミン酸による汚染の可能性があるため、満足のいく放射性炭素年代を取得することは非常に困難です。有機起源の断片について土壌をふるいにかけ、小さなサンプルサイズに耐える方法で断片を年代測定することが好ましい。[55]
  • 年代測定に成功した他の材料には、象牙、紙、織物、個々の種や穀物、泥レンガの中からのわら、陶器に残っている焦げた食べ物などがあります。[55]

準備とサイズ

特に古いサンプルの場合、14
テスト前のサンプルのC。これは、熱拡散カラムを使用して行うことができます。このプロセスには約1か月かかり、他の方法で必要とされる場合の約10倍のサンプルが必要ですが、より正確な測定が可能になります。14
C /12
古い材料のC比は、確実に報告できる最大年齢を延長します。[57]

汚染物質が除去されたら、使用する測定技術に適した形にサンプルを変換する必要があります。[58]ガスが必要な場合、CO
2広く使用されています。[58] [59]液体シンチレーションカウンターで使用されるサンプルの場合、炭素は液体の形でなければなりません。サンプルは通常、ベンゼンに変換されます。加速器質量分析では、固体のグラファイトターゲットが最も一般的ですが、ガス状のCO
2使用することもできます。[58] [60]

テストに必要な材料の量は、サンプルの種類と使用されているテクノロジーによって異なります。試験技術には、ベータカウンターと呼ばれる放射能を記録する検出器と加速器質量分析計の2種類があります。ベータカウンターの場合、通常、少なくとも10グラム（0.35オンス）のサンプルが必要です。[58]加速器質量分析ははるかに感度が高く、わずか0.5ミリグラムの炭素を含むサンプルを使用できます。[61]

測定と結果

測定 14
Cは現在、加速器質量分析計で最も一般的に行われています

リビーが最初の放射性炭素年代測定実験を行ってから数十年の間、 14
サンプル中のCは、個々の炭素原子の放射性崩壊を検出するためのものでした。[58]このアプローチでは、測定されるのは、サンプルの、時間あたりの単位質量あたりの崩壊イベントの数での活動です。[59]この方法は、腐敗によって放出されるベータ粒子であるため、「ベータカウント」としても知られています。14
検出されたC原子。[62] 1970年代後半に、別のアプローチが利用可能になりました。14
Cと12
通常AMSと呼ばれる加速器質量分析による特定のサンプルのC原子。[58] AMSは14
C /12
サンプルの活動の代わりに直接C比、しかし活動の測定と14
C /12
C比は正確に相互に変換できます。[59]しばらくの間、ベータカウント法はAMSよりも正確でしたが、AMSは現在より正確であり、放射性炭素測定に最適な方法になっています。[63] [64]精度の向上に加えて、AMSにはベータカウントに比べてさらに2つの重要な利点があります。ベータカウントには小さすぎるサンプルで正確なテストを実行でき、はるかに高速です。1％の精度を達成できます。 AMSを使用すると数分で完了します。これは、古いテクノロジーで達成できるよりもはるかに高速です。[65]

ベータカウント

リビーの最初の検出器は、彼自身の設計のガイガーカウンターでした。彼はサンプル中の炭素をランプブラック（すす）に変換し、シリンダーの内面をそれでコーティングしました。このシリンダーは、サンプルとワイヤーの間に材料がないように、カウントワイヤーがサンプルシリンダーの内側にくるようにカウンターに挿入されました。[58]崩壊によって放出されたベータ粒子のため、介在する物質は放射能の検出を妨害したであろう。14
Cは非常に弱いので、半分は0.01mmの厚さのアルミニウムで止められます。[59]

リビーの方法はすぐにガス比例計数管に取って代わられ、爆弾炭素による影響が少なかった（追加の14
核実験によって作成されたC ）。これらのカウンターは、崩壊によって放出されたベータ粒子によって引き起こされたイオン化のバーストを記録します14
C原子; バーストは粒子のエネルギーに比例するため、バックグラウンド放射線などの他のイオン化源を特定して無視することができます。カウンターは、バックグラウンド放射線を排除し、宇宙線の入射を減らすために、鉛または鋼のシールドで囲まれています。さらに、不一致検出器が使用されます。カウンター外のこれらの記録イベント、およびカウンター内外で同時に記録されたイベントは、無関係なイベントと見なされ、無視されます。[59]

測定に使用される他の一般的な技術14
C活性は、1950年に発明された液体シンチレーションカウントですが、ベンゼン合成の効率的な方法が開発された1960年代初頭まで、ガスカウントと競合するまで待たなければなりませんでした。1970年以降、液体カウンターは、新しく建設された交際研究所にとってより一般的な技術の選択肢となりました。カウンターは、によって放出されたベータ粒子によって引き起こされた光の閃光を検出することによって機能します14
ベンゼンに添加された蛍光剤と相互作用するC。ガスカウンターと同様に、液体シンチレーションカウンターにはシールドカウンターと不一致カウンターが必要です。[66] [67]

ガス比例計数管と液体シンチレーションカウンターの両方で、測定されるのは、特定の期間に検出されたベータ粒子の数です。サンプルの質量がわかっているので、これは、炭素1グラムあたりの1分あたりのカウント（cpm / g C）、または1 kgあたりのベクレル（Bq / kg C、SI単位）のいずれかの単位での活動の標準測定値に変換できます。 ）。各測定装置は、ブランクサンプル（活性がないほど古い炭素から調製されたサンプル）の活性を測定するためにも使用されます。これは、バックグラウンド放射線の値を提供します。これは、日付が付けられているサンプルの測定されたアクティビティから差し引かれ、そのサンプルのみに起因するアクティビティを取得する必要があります。14
C。 _ さらに、比較のためのベースラインを提供するために、標準的なアクティビティを持つサンプルが測定されます。[68]

加速器質量分析

放射性炭素年代測定用の炭素同位体をカウントするために使用される加速器質量分析計の簡略化された概略レイアウト

AMSはの原子を数えます14
Cと12
与えられたサンプルのC、14
C /12
C比を直接。多くの場合グラファイトの形をしたサンプルは、加速器に注入されるC-イオン（単一の負電荷を持つ炭素原子）を放出するように作られています。イオンは加速されてストリッパーを通過します。ストリッパーはいくつかの電子を除去して、イオンが正電荷を帯びて現れるようにします。加速器の設計に応じて、1から4の正電荷（C +からC4 +）を持つ可能性のあるイオンは、次に、それらの経路を湾曲させる磁石を通過します。重いイオンは軽いイオンよりも湾曲が少ないため、異なる同位体が別々のイオンの流れとして現れます。次に、粒子検出器は、で検出されたイオンの数を記録します。14
Cストリームですが、12
C（および13
キャリブレーションに必要なC ）は、個々のイオン検出には大きすぎます。カウントは、ファラデーカップで生成された電流を測定することによって決定されます。[69]ストリッパーによって誘発される大きな正電荷は、次のような分子を強制します。13
CH、これはに十分に近い重量を持っています14
Cは測定を妨害し、分離するため、測定は検出されません。[70]ほとんどのAMSマシンは、サンプルのδ13​​Cも測定します、サンプルの放射性炭素年代の計算に使用します。[71]炭素同位体を、質量が非常に近い他の原子または分子と区別する必要があるため、質量分析のより単純な形式とは対照的に、AMSの使用が必要です。14
Nと13
CH。[58]ベータカウントと同様に、ブランクサンプルと標準サンプルの両方が使用されます。[69] 2種類のブランクを測定できます。化学処理を行わずに機械のバックグラウンドを検出したデッドカーボンのサンプルと、正確にターゲット材料に加工されたデッドカーボンから作られたプロセスブランクと呼ばれるサンプルです。日付が付けられているサンプルと同じ方法。どれでも14
マシンバックグラウンドブランクからのC信号は、検出器内の予想される経路をたどっていないイオンのビーム、または次のような水素化炭素によって引き起こされる可能性があります。12
CH
2 また 13
CH。A14
プロセスブランクからのC信号は、サンプルの準備中に導入された汚染の量を測定します。これらの測定値は、その後のサンプルの年齢の計算に使用されます。[72]

計算

ベータカウンターはサンプルの放射能を測定するのに対し、AMSはサンプル中の3つの異なる炭素同位体の比率を決定するため、行われる測定で実行される計算は使用されるテクノロジーによって異なります。[72]

ベータカウントによって活性が測定されたサンプルの年齢を決定するには、標準の活性に対するその活性の比率を見つける必要があります。これを決定するために、（古い、または死んだ、炭素の）ブランクサンプルが測定され、既知の活動のサンプルが測定されます。追加のサンプルにより、バックグラウンド放射線や実験室のセットアップにおける系統的エラーなどのエラーを検出して修正することができます。[68]最も一般的な標準サンプル材料は、HOxII標準などのシュウ酸であり、そのうち1,000ポンドは、1977年に米国国立標準技術研究所（NIST）によってフランスのビート収穫物から調製されました。[73] [74]

AMSテストの結果は、次の比率の形式になっています。12
C、13
C、および14
Cは、「最新の分数」であるFmの計算に使用されます。これは、14
C /12
サンプル中のC比と14
C /12
現代の炭素のC比は、次のように定義されます。14
C /12
化石燃料の影響がなかったら、1950年に測定されたであろうC比。[72]

ベータカウントとAMSの両方の結果は、分別のために修正する必要があります。これが必要なのは、同じ年齢の異なる材料が、分別のために自然に異なるためです。14
C /12
C比は、年齢が異なるように見えます。14
C /12
C比は年齢の指標として採用されています。これを回避するために、すべての放射性炭素測定値は、サンプルが既知のδを持つ木材でできていた場合に見られたであろう測定値に変換されます。13
-25‰のC値。[22]

修正したら14
C /12
C比は既知であり、「放射性炭素年代」は以下を使用して計算されます。[75]

計算では、8、033年を使用します。これは、リビーの半減期である8、267年ではなく、5、568年から得られた平均寿命であり、より正確な現代の値である5、730年から得られた平均寿命です。半減期に対するリビーの値は、初期の放射性炭素試験結果との一貫性を維持するために使用されます。検量線にはこれに対する補正が含まれているため、最終的に報告される暦年の精度が保証されます。[75]

エラーと信頼性

テスト時間を長くすることで、結果の信頼性を高めることができます。たとえば、ベータ崩壊を250分間カウントするだけで、68％の信頼度で±80年の誤差が生じる場合、カウント時間を2倍にして500分にすると、サンプルの量は半分になります。14
Cは80年の同じ誤差項で測定されます。[76]

放射性炭素年代測定は、それより古いサンプルでは不十分であるため、一般に5万年以内の年代測定サンプルに制限されています。14
Cは測定可能です。古い日付は、特別なサンプル準備技術、大きなサンプル、および非常に長い測定時間を使用して取得されています。これらの技術により、現在から最大60、000年、場合によっては最大75、000年前の日付を測定できます。[63]

放射性炭素年代は通常、平均の両側に1標準偏差の範囲（通常はギリシャ文字のシグマで1σとして表されます）で表されます。ただし、1σの日付範囲は68％の信頼水準にすぎないため、測定対象の実際の年齢は、引用された日付の範囲外にある可能性があります。これは、1970年に大英博物館の放射性炭素研究所が実施した実験によって実証されました。この実験では、同じサンプルで6か月間毎週測定が行われました。結果は大きく異なります（ただし、正規分布と一貫して一致しています）測定値の誤差の）、および互いに重複しない複数の日付範囲（1σの信頼度）が含まれていました。測定には、約4250年から約4390年前の範囲の測定値と、約4520から約4690年の範囲の測定値が含まれていました。[77]

手順のエラーも結果のエラーにつながる可能性があります。最新の参照サンプルのベンゼンの1％が誤って蒸発した場合、シンチレーションカウントにより、放射性炭素年代が約80年若すぎます。[78]

キャリブレーション

非常に古いブリストルコーンパインの切り株。これらの木からの年輪（とりわけ）は、検量線の作成に使用されます。

上記の計算では、放射性炭素年代の日付が生成されます。つまり、サンプルの年齢を表す日付は、 14
C /12
C比は歴史的に一定でした。[79]リビーは早くもこの仮定が間違っている可能性を指摘していたが、測定された年齢と遺物の既知の歴史的日付との間に矛盾が蓄積し始めて初めて、修正を適用する必要があることが明らかになった。放射性炭素年代測定により、暦日を取得します。[80]

暦年を放射性炭素年代に関連付けるために使用できる曲線を作成するには、放射性炭素年代を決定するためにテストできる一連の安全な日付のサンプルが必要です。年輪の研究は、最初のそのようなシーケンスにつながりました。個々の木材は、特定の年の降雨量などの環境要因のために厚さが変化するリングの特徴的なシーケンスを示します。これらの要因は、エリア内のすべての樹木に影響を与えるため、古い木材の年輪シーケンスを調べることで、重複するシーケンスを特定できます。このようにして、途切れることのない年輪のシーケンスをはるかに過去に拡張することができます。ブリストルコーンパインツリーリングに基づく最初のそのような公開されたシーケンスは、ウェズリーファーガソンによって作成されました。[40]ハンス・スースはこのデータを使用して、1967年の放射性炭素年代測定の最初の検量線を公開しました。[38] [39] [80]曲線は、直線からの2種類の変動を示しました。そして、しばしば「小刻みに動く」と呼ばれる、数十年の短期間の変動。スエス氏は、「宇宙のシュワン」によって小刻みに動く線を描いたと述べた。これは、変動が地球外の力によって引き起こされたことを意味している。ウィグルが本物かどうかはしばらくの間不明でしたが、今では十分に確立されています。[38] [39] [81]検量線のこれらの短期間の変動は、ヘッセル・デ・フリースにちなんで、現在はデ・フリース効果として知られています。。[82]

検量線は、実験室から報告された放射性炭素年代を取得し、グラフの縦軸でその日付を横切って読み取ることによって使用されます。この水平線が曲線と交差する点は、水平軸上のサンプルの暦年齢を示します。これは、曲線の作成方法の逆です。グラフ上の点は、年輪などの既知の年齢のサンプルから導出されます。それがテストされるとき、結果として生じる放射性炭素年代はグラフのデータポイントを与えます。[41]

IntCal20からの北半球の曲線。2020年現在、これは標準検量線の最新バージョンです。対角線は、放射性炭素年代と暦年代が同じである場合に曲線がどこにあるかを示しています。[83]

次の30年間で、さまざまな方法と統計的アプローチを使用して多くの検量線が公開されました。[41]これらは、1998年に公開され2004年、2009年、2013年、および2020年に更新されたIntCal98で始まる一連のIntCal曲線に取って代わられました。[83]これらの曲線の改善は、年輪から収集された新しいデータに基づいています。 、年縞、珊瑚、植物の大型化石、speleothems、および有孔虫。IntCal20データには、北半球と南半球の効果のために体系的に異なるため、北半球と南半球の別々の曲線が含まれています。南半球の曲線（SHCAL20）は、可能な場合は独立したデータに基づいており、直接データが利用できない南半球の平均オフセットを追加することにより、北半球の曲線から導き出されています。別の海洋検量線、MARINE20もあります。[29] [84] [85] [86]時間的に既知の間隔でシーケンスを形成するサンプルのセットの場合、これらのサンプルは検量線のサブセットを形成します。シーケンスは検量線と比較でき、確立されたシーケンスに最もよく一致します。この「ウィグルマッチング」技術は、個々の放射性炭素年代測定よりも正確な年代測定につながる可能性があります。[87]ウィグルマッチングは、検量線にプラトーがある場所で使用できるため、切片または確率法で生成できるよりもはるかに正確な日付を提供できます。[88]この手法は年輪に限定されません。たとえば、ニュージーランドの層状テフラシーケンスは、島の人間の植民地化よりも前にあると考えられており、ウィグルマッチングによって西暦1314年±12年とされています。[89]ウィグルはまた、検量線から日付を読み取ると複数の答えが得られることを意味します。これは、放射性炭素年代が複数の場所で曲線を遮るほど曲線が上下に揺れるときに発生し、放射性炭素の結果につながる可能性があります。放射性炭素年代が傍受した曲線の2つの部分に対応する、2つの別々の年齢範囲として報告されます。[41]

ベイズ統計手法は、較正する放射性炭素年代が複数ある場合に適用できます。たとえば、一連の放射性炭素年代測定が層序シーケンスのさまざまなレベルから取得された場合、ベイズ分析を使用して、外れ値である日付を評価し、シーケンスが時間内に順序付けられる必要があるという事前情報に基づいて、改善された確率分布を計算できます。 。[87]ベイジアン分析が導入されたとき、計算を実行するためにメインフレームコンピュータを使用する必要性によってその使用は制限されていましたが、それ以来、この手法はOxCalなどのパーソナルコンピュータで利用可能なプログラムに実装されています。[90]

報告日

最初のサンプルの年代測定以来、放射性炭素の結果を引用するためのいくつかの形式が使用されてきました。2019年現在、ジャーナルRadiocarbonが要求する標準フォーマットは次のとおりです。[91]

未校正の日付は「ラボ：ラボ：年±範囲BP "、ここで：

  • ラボは、サンプルをテストしたラボとサンプルIDを識別します
  • 年は、放射性炭素年代でのサンプルの年齢の実験室の決定です
  • 範囲は、1σの信頼度での年齢の誤差の実験室の推定値です。
  • 「BP」は「現在の前」を意味し、1950年の基準日を指します。したがって、「500BP」は1450年のADを意味します。

たとえば、未校正の日付「UtC-2020：3510±60 BP」は、サンプルがUtrecht van der Graaff Laboratorium（「UtC」）によってテストされ、サンプル番号が「2020」であり、未校正であることを示します。年齢は現在の3510年前、±60歳です。関連する形式が使用されることもあります。たとえば、「10 ka BP」は、現在の10,000放射性炭素年（つまり、紀元前8、050年）を意味し、「14
C yr BP "は、未校正の日付を、熱ルミネッセンスなどの別の年代測定法から得られた日付と区別するために使用される場合があります。[91]

校正済み 14
Cの日付は、「cal BP」、「cal BC」、または「cal AD」として頻繁に報告されます。ここでも、「BP」は1950年をゼロ日付として参照します。[92] 放射性炭素は、較正された日付を報告するための2つのオプションを提供します。一般的な形式は「caldate - rangeconfidence」です。ここで：

  • date-rangeは、指定された信頼水準に対応する日付の範囲です。
  • 信頼度は、特定の日付範囲の信頼水準を示します。

たとえば、「cal 1220–1281 AD（1σ）」は、実際の日付が1220ADから1281ADの間にあり、信頼水準が「1シグマ」または約68％である校正済みの日付を意味します。校正された日付は、「BC」と「AD」を使用する代わりに「BP」として表すこともできます。結果のキャリブレーションに使用される曲線は、利用可能な最新のIntCal曲線である必要があります。キャリブレーションされた日付は、キャリブレーションの実行に使用されるOxCalなどのプログラムも識別する必要があります。[91]さらに、放射性炭素の記事2014年の放射性炭素年代測定規則については、サンプル材料、前処理方法、品質管理測定など、サンプル処理に関する情報を提供することを推奨しています。キャリブレーションに使用されるソフトウェアへの引用は、バージョン番号と使用されるオプションまたはモデルを指定する必要があること。また、校正日は、各範囲に関連する確率とともに指定する必要があります。[93]

考古学での使用

解釈

放射性炭素年代を解釈する際の重要な概念は、考古学的な関連性です：遺跡にある2つ以上のオブジェクト間の本当の関係は何ですか？放射性炭素年代測定のサンプルを対象物から直接採取できることがよくありますが、それが不可能な場合も多くあります。たとえば、金属製の副葬品は放射性炭素年代測定できませんが、棺桶、木炭、または同時に堆積したと推定できるその他の材料が付いた墓で見つかる可能性があります。これらの場合、棺桶または木炭の日付は、2つの間の直接的な機能的関係のため、副葬品の堆積の日付を示します。機能的な関係がない場合もありますが、関連性はかなり強いです。たとえば、ごみピット内の炭の層は、ごみピットと関係のある日付を提供します。[94]

発掘調査で得られた非常に古い資料を年代測定する場合、汚染は特に懸念され、標本の選択と準備には細心の注意が必要です。 2014年、トーマス・ハイアムとその同僚は、ネアンデルタール人の遺物について発表された日付の多くは、「若い炭素」による汚染のために最近のものであると示唆しました。[95]

樹木が成長するにつれて、最も外側の年輪だけがその環境と炭素を交換するため、木材サンプルで測定される年齢は、サンプルがどこから採取されたかによって異なります。これは、木材サンプルの放射性炭素年代が、樹木が伐採された日付よりも古い可能性があることを意味します。さらに、木片が複数の目的で使用される場合、樹木の伐採とそれが見つかった状況での最終的な使用との間に大幅な遅延が生じる可能性があります。[96]これはしばしば「古い木」の問題と呼ばれます。[5]一例は青銅器時代のトラックウェイですイギリスのウィジーベッドコプスで。トラックウェイは、トラックウェイで再利用される前に他の目的で明らかに加工された木材で作られていました。別の例は、建設資材として使用できる流木です。再利用を常に認識できるとは限りません。他の材料でも同じ問題が発生する可能性があります。たとえば、ビチューメンは一部の新石器時代に使用されたことが知られています。防水バスケットへのコミュニティ; ビチューメンの放射性炭素年代は、実際の状況の年齢に関係なく、実験室で測定できる年齢よりも長くなるため、注意を払わないと、バスケットの材料をテストすると誤解を招く年齢になります。再利用に関連する別の問題は、長期間の使用、または堆積の遅延の問題です。たとえば、長期間使用されている木製のオブジェクトは、それが置かれているコンテキストの実際の年齢よりも見かけの年齢が大きくなります。[96]

外部考古学を使用する

放射性炭素年代測定を利用する分野は考古学だけではありません。放射性炭素年代測定は、たとえば、地質学、堆積学、湖沼研究でも使用できます。AMSを使用して微量サンプルを年代測定できるということは、古植物学者や古気候学者が、堆積物シーケンスから精製された花粉、または少量の植物材料や木炭に直接放射性炭素年代測定を使用できることを意味します。対象の地層から回収された有機物の日付を使用して、地質学的な理由で類似しているように見えるさまざまな場所の地層を相互に関連付けることができます。ある場所からの年代測定資料は、他の場所に関する日付情報を提供し、日付は、全体的な地質学的タイムラインに地層を配置するためにも使用されます。[97]

放射性炭素は、生態系から放出された炭素の年代測定にも使用されます。特に、人間の撹乱や気候変動の結果として以前に土壌に貯蔵されていた古い炭素の放出を監視するために使用されます。[98]フィールド収集技術の最近の進歩により、重要な温室効果ガスであるメタンと二酸化炭素の放射性炭素年代測定も可能になりました。[99] [100]

注目すべきアプリケーション

ツークリーク化石林における更新世/完新世の境界

更新世は、約260万年前に始まった地質時代です。現在の地質時代である完新世は、更新世が終わる約11、700年前に始まります。[101]急激な気候温暖化によって定義されるこの境界の日付を可能な限り正確に確立することは、20世紀の多くの地質学者の目標でした。[101] [102]ウィスコンシン州のトゥークリークスで、化石の森が発見されました（トゥークリークス埋没林州立自然地域））、そしてその後の研究は、森林の破壊がバルダーズの氷の再前進、その地域の更新世の終わりの前の最後の南向きの氷の動きによって引き起こされたと決定しました。放射性炭素年代測定が登場する前は、化石化した樹木は、ツークリークに毎年堆積する堆積物の層のシーケンスをスカンジナビアのシーケンスと相関させることによって年代測定されていました。これにより、樹齢は24、000〜19、000年と推定され[101]、したがって、これは、ウィスコンシン氷河が最後に後退して北米の更新世が終了する前の最後の前進の日付と見なされました。[103]1952年、リビーはトゥークリークサイトと近くの2つの同様のサイトからのいくつかのサンプルの放射性炭素年代測定を発表しました。日付の平均は11,404BPで、標準誤差は350年でした。放射性炭素年代の較正の必要性がまだ理解されていなかったため、この結果は較正されていませんでした。次の10年間のさらなる結果は、11,350 BPの平均日付をサポートし、結果は最も正確な平均11,600BPであると考えられました。古植物学者であるErnstAntevsの側では、これらの結果に最初の抵抗がありました。スカンジナビアの年縞シリーズに取り組んできたが、彼の異議は最終的に他の地質学者によって軽視された。1990年代に、サンプルはAMSでテストされ、11,640BPから11,800BPの範囲の（未校正の）日付が得られました。どちらも標準誤差は160年です。その後、化石の森からのサンプルが研究所間テストで使用され、70を超える研究所から結果が提供されました。これらのテストでは、年齢の中央値が11,788±8 BP（2σの信頼度）であり、キャリブレーションすると、13,730〜13,550 calBPの日付範囲が得られます。[101]トゥー・クリークスの放射性炭素年代測定は、更新世末期の北アメリカの氷河作用の現代的な理解を発展させる上で重要な結果と見なされている。[103]

死海文書

死海文書の1つである偉大なイザヤの巻物の一部

1947年、死海の近くの洞窟で巻物が発見され、ヘブライ語とアラム語で書かれたものが含まれていることが判明しました。そのほとんどは、小さなユダヤ人の宗派であるエッセネ派によって作成されたと考えられています。これらの巻物は、それらの多くがヘブライ語聖書の本の最も初期の既知のバージョンを含んでいるので、聖書のテキストの研究において非常に重要です。[104]これらの巻物の1つであるグレートイザヤ巻物からのリネンラッピングのサンプルは、推定年齢1,917±200歳のリビーによる1955年の分析に含まれていました。[104] [105]書体の分析に基づいて、古書体推定は21歳の巻物で行われ、これらのほとんどのサンプルは、古地理的に日付が付けられていない他の巻物とともに、1990年代に2つのAMS研究所によってテストされました。結果は、紀元前4世紀初頭から紀元前4世紀半ばまでの年齢の範囲でした。 2つの場合を除いて、巻物は古地理的に決定された年齢から100年以内であると決定されました。イザヤの巻物はテストに含まれており、その時点での検量線の形状により、2σの信頼水準で2つの可能な日付範囲があることがわかりました。紀元前355年から295年までの日付である可能性は15％です。紀元前210年から45年までの確率は84％です。その後、これらの日付は、巻物がテストされる前に、現代のヒマシ油で処理されていたという理由で批判されました文章を読みやすくするため。ひまし油を十分に除去できなかった場合、日付が若すぎると主張されました。批判を支持し反対する複数の論文が発表されています。[104]

影響

リビーの1949年の論文が科学で発表された直後、世界中の大学が放射性炭素年代測定研究所を設立し始め、1950年代の終わりまでに20以上の活動がありました。14
C研究所。放射性炭素年代測定の原理は、特定の矛盾にもかかわらず有効であることがすぐに明らかになり、その原因は不明のままでした。[106]

放射性炭素年代測定の開発は、考古学に大きな影響を与えました–しばしば「放射性炭素革命」と呼ばれます。[107]人類学者R.E.テイラーの言葉によれば、「14
Cデータは、地域、地域、大陸の境界を超えるタイムスケールを提供することで、世界の先史時代を可能にしました。 ;それはまた、長距離にわたるイベントの比較と同期を可能にします。放射性炭素年代測定の出現は、より良いデータ記録がテストされるサンプルとのオブジェクトのより強固な関連付けにつながるので、考古学におけるより良いフィールドメソッドにさえつながるかもしれません。これらの改善されたフィールドメソッド時々それを証明する試みによって動機づけられました14
Cの日付が正しくありませんでした。テイラーはまた、明確な日付情報が利用できることで、考古学者は発見の日付を決定することに多くのエネルギーを集中する必要がなくなり、考古学者が喜んで調査する質問の拡大につながったと示唆しています。たとえば、1970年代から、人間の行動の進化に関する質問は、考古学ではるかに頻繁に見られました。[108]

放射性炭素によって提供された年代測定の枠組みは、先史ヨーロッパ全体にイノベーションがどのように広がるかについての一般的な見方に変化をもたらしました。研究者たちは以前、多くのアイデアが大陸全体への拡散や、新しい文化的アイデアをもたらす人々の侵入によって広がると考えていました。多くの場合、放射性炭素年代測定法がこれらの考えが間違っていることを証明し始めたので、これらの革新が時々地元で起こったに違いないことが明らかになりました。これは「第2の放射性炭素革命」と呼ばれ、英国の先史時代に関しては、考古学者のリチャード・アトキンソン放射性炭素年代測定の影響を、「進行性の浸潤性疾患」に対する「根本的な...治療」として特徴づけています。より広くは、放射性炭素年代測定の成功は、考古学的データへの分析的および統計的アプローチへの関心を刺激しました。[108]テイラーはまた、AMSの影響、および3番目の放射性炭素革命の先駆けとして非常に小さなサンプルから正確な測定値を取得する能力についても説明しています。[109]

時折、放射性炭素年代測定法は、人気のある対象を年代測定します。たとえば、トリノの聖骸布は、十字架につけられた後のイエス・キリストのイメージを帯びていると考えられている亜麻布です。3つの別々の研究所が1988年にシュラウドからのリネンのサンプルを年代測定しました。結果は14世紀の起源を示しており、1世紀の遺物とされるシュラウドの信憑性に疑問を投げかけています。[17]

研究者たちは、宇宙線によって生成された他の放射性同位体を研究して、それらが考古学的に関心のある物体の年代測定を支援するためにも使用できるかどうかを判断しました。そのような同位体には以下が含まれます3
彼、10
であり、21
ね、26
アル、そして36
Cl。 1980年代のAMSの開発により、これらの同位体を十分に正確に測定して、主に岩石の年代測定に適用されてきた有用な年代測定技術の基礎となることが可能になりました。 [110]天然に存在する放射性同位元素は、カリウム-アルゴン年代測定、アルゴン-アルゴン年代測定、およびウラン系列年代測定と同様に、年代測定法の基礎を形成することもできます。 [111]考古学者が関心を持っている他の年代測定技術には、熱ルミネッセンス、光刺激ルミネッセンス、電子スピン共鳴、およびフィッショントラック年代測定が含まれます。、および年輪年代学、テフロクロノロジー、年縞年代学など、年輪または層に依存する手法。[112]

も参照してください

メモ

  1. ^ Korffの論文は、実際には低速中性子について言及しています。これは、Korffの時代からより具体的な意味を獲得した用語であり、熱中性子と重ならない一連の中性子エネルギーを指します。[2]
  2. ^ Libbyの元のサンプルの一部はその後再テストされており、2018年に公開された結果は、Libbyの元の結果と概ねよく一致していました。[10]
  3. ^ 宇宙線と地表下の窒素および酸素との相互作用も、14
    C    、およびいくつかの状況（例えば、ガスを透過する積雪の表面近く）これ14
    C    は大気中に移動します。ただし、この経路は、総生産量の0.1％未満の原因であると推定されています。14
    C。     _ [14]
  4. ^ の半減期14
    C    （平均寿命を決定する）は1952年に5568±30年であると考えられていました。[19]平均寿命と半減期は次の式で関連付けられます：[5]
  5. ^ 1950年代初頭から実験的に決定された2つの値は、Libbyが使用した値には含まれていませんでした：〜6、090年、および5900±250年。[28]
  6. ^ 「従来の放射性炭素年代」という用語も使用されます。放射性炭素年代の定義は次のとおりです。年齢は、次の基準を使用して計算されます。a）現在受け入れられている実際の半減期5730年ではなく、リビー半減期5568年を使用します。（b）1950年の放射性炭素の活動を定義するためのHOxIIとして知られるNIST標準の使用。（c）「現在より前」の年が数えられる日付としての1950年の使用。（d）標準同位体比に基づく分別の補正、および（e）次の仮定14
    C     /12
    C    比は時間の経過とともに変化していません。[30]
  7. ^ 貯水池の各部分の炭素パーセンテージに関するデータは、1990年代半ばの貯水池炭素の推定値から得られたものです。産業革命以前の炭素分布の推定値は大きく異なります。[31]
  8. ^ 海洋生物の場合、分別の補正が行われると、年齢は400歳になります。この影響は、別の海洋検量線を使用して校正中に考慮されます。この曲線がなければ、放射性炭素年代測定で現代の海洋生物は400年前に見えるでしょう。同様に、陸生生物に関する記述は、分別が考慮された場合にのみ当てはまります。
  9. ^ 「PDB」は、サウスカロライナ州のピーディー層からの化石である「ピーディーベレムナイト」の略です[46]
  10. ^ PDB値は11.2372‰です。[47]
  11. ^ 最近の2つの推定値には、過去1000年間の放射性炭素年代8〜80年が含まれ、平均41±14年でした。過去2000年間で-2から83放射性炭素年、平均44±17年。古いデータセットの場合、約50年のオフセットが推定されています。[50]

参考文献

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