碳14的由来及其核衰变的千年旅程

                         晏成和

随着科学、考古学的普及，人们已经知道现代考古学用碳14进行年代考证，科学准确，极具权威。在此，谈一谈碳14的来历及其考古功能，原来如此高大上的科学考古，其物理学内涵竟然只是一个小小电子位置的突变和漫长回位的过程。

碳14 是碳元素的同位素，同位素是原子序数（核外电子）不变、原子量（质子）有明显不同的物理现象，于是有必要介绍碳原子核的构成、同位素的形成。

核内结构、同位素貌似高大上，其实就是一些最基本的质子、电子的物理构成。在我之前的博客《用 实验+逻辑 探讨核内结构 （一）（二）（三）》 说到：原子核内的质子、电子首先是组合成氦核、双中子、质中子这三种微结构（图一），然后按照质子数量、构成以氦核为主体、小微结构掺杂其间的各种元素原子核。

图一   核内的微结构 质中子（一个电子）、双中子（两个电子）、氦核

质中子：1个电子环绕2个质子极速运转，可以关联1个核外电子。

双中子：2个电子环绕2个质子高速运转，是构成同位素的主要材料。

氦核：2个电子环绕4个质子极高速速运转，能够关联2个核外电子。

核内质子、电子首先都是结合成微结构，一个氦核四面体居中，四个面分别对应吸引四个氦核，然后外层再吸引9个氦核均布，构成了核内氦核的1/4/9…分层球面结构。每个氦核内质子电子电量不平衡、还可吸引 2 个在远端核外电子，这核内氦核的1/4/9球面分层、正好与核外电子的能级排布 2/8/18内外呼应，为原子核内分层结构与核外的能级结构的内外关联找到了逻辑依据。质中子、双中子则是按核内外关联，分布在氦核之间。

常规碳原子核如图二左：有3 个氦核，一个在中心，两个氦核对称环绕中心旋转，原子核很稳定、是幻数（稳定）元素，原子量4*3=12。图中看到，碳14与碳核内构成相差甚远，相差一个双中子（2个质子、2个电子）、原子量14，是标准的碳同位素。碳14核与氮核倒是十分相近（图二右边图表），原子量相同，都是14.01，差别就是图中下面的小微结构是质中子、还是双中子-一个电子的不同。

图二，碳12与碳14的原子核 （图表，碳14与氮核的1个电子千年位移）

事实上，碳14就是来自于氮气。地球大气中氮气最多，宇宙少量高频电磁波与某个氮气核内的质中子的极速电子发生共振，单电子的质中子不稳定、吸引一个电子，变成了双中子；原质中子关联的1个核外电子没有了牵连、流失，氮原子外也就少了1个电子，形成了序数6、原子量14的碳。碳14有了双中子（图二中，下部），整个核系统就不平衡、不稳定，开始了核衰变的漫漫旅程。

当中心氦核外的三个不平衡的微结构运转达不稳定积累到极限、碳14面临解体。大自然总是用睿智的办法解决危机：不是让双中子解体、让碳14失去双中子形成碳；而是让碳14中失稳的双中子辐射出1个电子-β射线（实验可测得），还原成了质中子、吸引一个核外电子，成了氮14-氮气。

依据微结构的偏心程度、不同元素的核衰变的过程快慢有很大的不同，人们用“半衰期”来记录、比较核衰变的快慢，半衰期是指放射性核素的总质量衰变掉一半所经历的时间。核内的双中子在运动中逐一衰变、还原，历经数千年，才完成氮-碳14-氮的千年之旅的循环，实验测得碳14有准确的半衰期5730年。

虽然碳与碳14核内构成相差甚远，但是核外结构分毫不差，元素是靠核外电子进行交流。在宇宙射线中，氮元素突变成了碳14，有碳一样的4价，容易与周边氧结合、形成二氧化碳，被植物的光合作用吸收、被动物食入，导致活的生物体内都有微量、定比例的碳14。

生物体死亡，植物的光合作用停止，动物不再进食，碳14就不再补充，而原来体内的碳14仍然在稳定地衰变着、形成了氮气飞离，碳14稳定的减少。所以依据动、植物（棉花、丝绸、木料）遗体内残留的碳14的比例，就可以准确判断其死亡的年代，用此帮助人类考古断代。

以上氮-碳14-二氧化碳-植物-动物-数千年半衰期，演变曲折，但是逻辑严谨。仔细分析：开始，宇宙射线让氮气内质中子不稳、吸收一个电子-形成双中子-核外失去一个核外电子-形成碳14……然后漫长运转、不稳定让电子回归。这几千年的氮、碳、氮的变换，说起来复杂、本质上就是一个电子的突变和漫长的千年之旅。

                                      2025/4/24