碳12和碳14是同位素元素吗（这种放射性元素是如何进入生物体的）

碳有三种自然同位素，其中碳-14具有放射性稍微特别一点，它存在于自然界中所有的生物体中，那么问题来了，根据碳-14的半衰期5730年，地球上应该已经没有碳-14了，那么碳-14又是怎样产生的？它又是如何跑进我们身体中的？怎样根据碳-14测定年代？以及1200年前地球上碳-14水平的异常事件是咋回事？今天就说这些问题。

说到碳，我们第一个想到的就是地球上充满多样性的生命形式，我们所知的每一种生物都由四种基本元素构成：碳、氮、氧、氢。但是碳是最重要、也是最特别的元素，它是有机分子的基础，是生命体的基石。

从钻石到纳米管再到DNA，碳对于构造最复杂的结构必不可少。地球上大部分的碳都来自于上一代恒星死亡时的超新星爆发，目前绝大多数以碳-12的形式存在，也就是原子核中有6个中子。

在碳的总量中1.1%是以碳-13的形式存在，原子核中多了一个中子。虽然碳-13也很稳定，但在恒星中碳-13形成的频率要比碳-12低得多，所以碳-12不仅在地球上是碳的主要形式，而且在我们可观察宇宙的任何地方都应该是这个样子，这一点并不奇怪，因为走到哪物理定律都是一样的，恒星也以同样的方式聚变。

但还有另外一种形式的碳，也是我们今天的主角，虽然它的丰度相对来说很低很低，但是它很重要，也很有趣，绝对值得我们深入的讨论。

它就是碳14，原子核中有8个中子的碳原子，碳-14非常罕见而且原子核本身也不稳定会发生衰变，在地球上的碳总量中只有1 /万亿的碳原子是碳-14。数十亿年前在恒星中形成的碳-14原子的半衰期为5700年，地球目前已经存在了45亿年，所以古老的恒星赋予我们的碳-14早已衰变为氮原子了。那么地球上现在的碳-14咋来的，别着急，下文会说到。

当一个原子的中子数与原子核中的质子数不匹配时，多出来的中子就觉得自己有点多余，于是原子核通常会发生以下两种方式的衰变：

• 一种是α衰变，即原子核发射一个氦-4原子核（两个质子和两个中子）
• 另一种是β衰变，即原子核中的一个中子通过发射一个电子、一个反电子中微子转变为质子。

所以在碳-14中多出来一个中子，就会经历β衰变，半衰期为5700年，衰变后的碳-14会变为氮原子，衰变过程中的重子数是守恒的。

上文说地球上一万亿分之一的碳是碳-14的形式，但地球上的碳含量惊人，基数很大，所以碳-14实际上也不少。在所有的有机生命体中，当然也包括我们自己的身体，甚至是海洋中的生物体内，都存在着少量、但含量稳定的碳-14。

简单的回答就是：它来自宇宙。

从整个银河系到整个宇宙，从恒星（包括我们的太阳）、脉冲星到黑洞等等，太空中充满了高能粒子，即宇宙射线。通常情况下宇宙射线只包含质子，但少数情况下是一些较重的离子，甚至是不起眼、很轻很轻的电子。

我们先看一下什么叫高能粒子！主要突出这个高能！

太阳辐射粒子的能量上限为几兆电子伏（大约10^6电子伏），而宇宙射线的能量通常会达到TeV的范围（大约10^12 eV与大型强子对撞机产生的能量相同)，甚至更高，最高可达4或5×10^19 eV。

通常从太阳发射出来的粒子由于能量不足并不是产生碳-14，但是来自太阳系以外能量在10^10 eV及以上的高能粒子，与地球高层大气相撞时，就能产生巨大的核级联反应，也就是连锁反应。

想一下我们的强子对撞机是咋工作的，加速粒子让其相撞，会产生大量的亚原子粒子。那么比对撞机能量还高的宇宙射线，要是撞击了氮原子核会怎样？撞击的能量会发生连锁反应，大量的氮原子核会被击碎，产生大量的（稳定的，不稳定的，准稳定的）亚原子粒子，其中也包括非常重要的自由中子。中子之所以说它重要，我们想一下碳-14是如何衰变为氮的。

如果碳-14能分解成氮-14和其他物质，那么我们就能将氮-14和合适的物质结合来生成碳14。在这种情况下，合适的物质就是一个中子，在宇宙射线撞击高层大气时会发生以下反应：

宇宙就是这样给我们地球“送来”碳-14的。

碳-14一旦产生，它的行为会和其他碳的同位素一样，很快与氧气结合形成C¹⁴O₂，因为分子的形成和往后的化学反应都是在电子层面上发生的，已经和原子核没有关系了，形成的C¹⁴O₂又会与大气和海洋混合，植物吸收，动物呼吸，动物吃植物，所以C¹⁴O₂很容易进入活的有机体，其含量会达到一种平衡状态。

据我们所知，在过去的几千年里，全世界的碳-14水平基本保持不变，产生和衰变的速率达到了平衡。在生物的生命周期中，所有的碳基生物都会以和大气浓度同样的比例吸收碳12、13和14，对于植物、动物、真菌和所有其他大大小小的生物来说，在生命的各个阶段都是如此。

然而，当一个有机体死亡时，就不会与大自然在进行碳循环了，以前身体内残留的碳-14原子会发生衰变。我们可以通过测量任何已死亡的生物体中碳14与碳12的比例，并将其与自然发生的比例进行比较，来衡量其死亡的时间，这就是碳-14的年代测定法。

在20世纪中期，我们环境中的碳-14含量出现了波动，因为当时核武器实验都是在露天下进行的，核爆炸产生的碳-14会飘散到世界各个地方，放射性尘埃对大气有很强的污染，一开始科学家根本就想不到这些问题，估计也没功夫想这些事。从那个年到过来的人，身体内碳-14含量也会增加。这就是现在核试验转到地下的原因。

上图可以看到，在1963年，碳-14含量达到了峰值，在核试验转入地下以后，大气层中的碳-14含量已经逐步恢复到了基线水平。

很长一段时间，人们一直认为只有核反应、核试验才会导致碳-14水平的激增。但科学家发现早在8世纪地球上的碳-14水平就出现过一次短暂的大幅飙升！8世纪？这是咋回事呢？

科学家通过观察日本古代雪松的年轮，看到碳-14的浓度从770年开始上升，在780年达到顶峰，然后开始下降。

在8世纪是什么导致了碳-14的飙升呢？我们首先想到的是：在地球附近一定出现了高能射线源，或者是什么原因导致了大量的碳-14直接进入了地球，但是大多数可能都被排除了。

• 首先想到的是附近是否有超新星爆发？但随着现代红外、射电和x射线望远镜的出现，我们已经确定了银河系所有的超新星残骸，其历史可以追溯到2000多年前。当时在地球附近没有发生过超新星爆发，所以这个解释行不通。
• 一颗彗星可能会带着丰富的碳-14和正常数量的物质一起到达了地球。解释峰值其实只需要增加大约18公斤的碳-14，但这需要一颗直径接近100公里的彗星，比消灭恐龙的那个彗星还要大，这显然不可能，因为我们现在还好好的。
• 虽然理论上太阳的超级耀斑可能是造成碳-14激增的原因，如果太阳出现异常人们很容易会观察到，应该会有记载，但没有证据表明当时有异常活跃的太阳耀斑或任何其他奇异的太阳活动。

其中最接近774年的盎格鲁撒克逊编年史，记载到：那时的天空中出现了一个红色十字架。

这会不会是某种能发出强烈宇宙射线的天文现象？也许是附近的假·超新星？黑洞喷流？目前人们普遍认为是宇宙中某种现象产生的高能伽马射线暴影响了地球。

自从我们有能力观察天空以来，我们从来没有看到过宇宙辐射水平的增加导致了碳-14水平的异常。

我们也相信在很短的时间内，宇宙辐射水平会出现异常，但我们现在还从未见过或记录过类似的情况。这种现象什么时候会再次发生呢？

有时候，科学就是这样：我们学得越多，理解得越多，出现的未解之谜就越多。我们现在知道了碳-14从何而来，它是如何形成的，以及碳-14的作用。

就其丰度在一千多年前的自然高峰而言，我们很可能要等待下一次发生这种异常，才能解开谜题。