放射性核素衰變的速度不隨地球上的物理條件而變化,這提供了一種天然的時間標(biāo)準(zhǔn).雖然目前也有研究說明一些核素的半衰期與核素的化學(xué)環(huán)境有關(guān)〖因為所處的化學(xué)環(huán)境不同,核外電子的能級就不一樣,這可以影響原子核的超精細結(jié)構(gòu),從而影響到半衰期；不過,由于這個效應(yīng)是很微弱的,對核素的半衰期影響不會有數(shù)量級的不同,所以,現(xiàn)代放射性核素計時仍然是一種用于測定年代的先進手法之一.〗.
核素年齡鑒定法廣泛用于地層、巖石、礦物和隕石年齡的測定.它給地球化學(xué)和宇宙學(xué)的研究提供了一項很重要的手段.
放射性核素衰變服從衰變規(guī)律：N=Noe^(-λt),t=(1/λ)×ln(No/N)=τ×ln(No/N)……①.
其中,λ是衰變常數(shù),τ是核素的平均壽命,λ=ln2/T≈0.693/T；T是核素的半衰期.
早期核素測量的時候,原子核的數(shù)量是一個很難測量的數(shù)據(jù),所以定義放射性核素的活度A=λN,代入①式可得：t=ln(Ao/A)T/ln2.不過現(xiàn)在有超靈敏質(zhì)譜儀,已經(jīng)可以直接測量樣本的原子核數(shù)量[1].
一、利用碳-14測定年代：
宇宙射線中的中子與大氣中的大量存在的穩(wěn)定核素氮-14發(fā)生N(n,p)C反應(yīng)能夠產(chǎn)生碳-14,而碳-14又會發(fā)生半衰期T=5730年的β衰變變成氮-14,由此構(gòu)建一個核素平衡.碳-14與氧氣反應(yīng)生成的二氧化碳被生物圈接收,活體生物體內(nèi)的碳-14與碳-12濃度比例是一定【經(jīng)測定,碳-14的同位素豐度為1.2×10^(-12)】的,只有當(dāng)生物死亡后,碳循環(huán)中斷,碳-14逐漸衰變至沒有.在化石標(biāo)本中采樣測量碳-14的豐度,與1.2×10^(-12)比較,即可計算出生物生活的年代.
比如：一個化石樣品含有碳-14的豐度是4.3×10^(-13),則可計算出該化石活體生活的年代距今t=ln(No/N)T/ln2=ln[1.2×10^(-12)÷4.3×10^(-13)]×5730÷ln2≈8483.9861年.
用碳-14測定年代應(yīng)該注意以下幾個問題：
⒈標(biāo)本采集與處理：
用作測定年代的碳標(biāo)本必須滿足如下三點要求：
⑴標(biāo)本確實來源于碳循環(huán),在停止碳循環(huán)前,標(biāo)本中碳-14豐度比活度(A=λN,原子核數(shù)量,早期核測量沒有很好的計數(shù)器,所以都用活度來替代原子核數(shù)量.)與現(xiàn)代碳-14豐度比活度相等；
⑵停止碳循環(huán)后,沒有經(jīng)歷過任何次生性變化,始終保存其原生性質(zhì)；
⑶標(biāo)本在研究對象中具有真正的代表性.
可以測定的標(biāo)本有動植物殘骸、原生無機碳酸鹽、生物碳酸鹽及其有機沉積物、土壤以及含碳古遺物.所有標(biāo)本在加工制成測量樣品之前都需要經(jīng)清洗,絕對禁止有現(xiàn)代碳和其它不同年代碳的污染.
⒉現(xiàn)代碳標(biāo)準(zhǔn)的確定：
碳-14的比活度不是一個恒定的值【對于用超靈敏質(zhì)譜儀[2]測定的時候,相當(dāng)于就是說碳-14原子核數(shù)量不恒定.】,產(chǎn)生這種情況的原因是：
⑴自然界存在碳的同位素濃集效應(yīng),處于不同化學(xué)環(huán)境的碳中的碳-14含量并不完全一致；
⑵人類的活動改變了大氣中二氧化碳的碳同位素組成,如礦物燃料的大量使用,使碳-14含量降低了1～4%〖因為化石燃料中的碳-14濃度因為衰變變少了,燃燒這種燃料的時候,產(chǎn)生的二氧化碳中的碳-14要比直接燒新砍伐的木柴要少.〗,另外就是大氣層中的核反應(yīng)使得植物中的碳-14含量增加了50%左右,這就需要制定一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),才能獲得可供比較的年代數(shù)據(jù).
1959年國際會議確認美國國家標(biāo)準(zhǔn)局制定的草酸作為現(xiàn)代碳的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),并以1950年放射性的95%作為現(xiàn)代碳的標(biāo)準(zhǔn)放射性.
⒊樹輪校正：
為了校正因⒉中所說的誤差,可以采用樹輪校正法：
樹木生長的年輪正確反映了樹木的生長年代,樹輪與碳-14測定的年齡是有一定差別的,大約每2000年會差出150年的樣子.樹木的年齡越老,年輪與碳-14測定的年齡相差越大,最多偏離可達800多年.因此,對那些需要精確年代數(shù)據(jù)的標(biāo)本,必須采用樹輪校正.
碳-14放射性計數(shù)方法所能測出的標(biāo)本,其年代不能超出30000年.因為年代到達30000年后,標(biāo)本中每克碳中碳-14的計數(shù)已不到1cpm【放射性強度測量單位,意即每分鐘探測到的衰變數(shù)；同樣的還有cps,每秒鐘探測到的衰變數(shù).】；不過,如果是用超靈敏質(zhì)譜儀,則測定的年代可以稍微更久遠一點,可以測量約停止碳循環(huán)100000年左右的標(biāo)本.