科技之神 第1章 四百万亿分之一的精度

小说:科技之神 作者:浙东匹夫 更新时间:2019-10-19 07:16:38 源网站:大家读
  在扶桑人的质疑、惊讶和不可思议中,第一次鉴定试验开始了。

  所有人都先换好了衣服,经过消洗后,进入一间无尘室。

  进入无尘室后,大部分人依然只能隔着一道玻璃,在外面观望,只有几个博物馆工作人员,和取样人员,能够走到最里间的国宝储存室。

  顾玩和石主任、宁主任(科大考古系主任)坐在一旁谈笑自若,隔着防弹玻璃观看京都大学的山下教授,带着学生们取样。

  东大的堺教授,则在一边翻看中方原先的实验记录,确保一会儿不会浪费鉴定样本。

  扶桑人这边,对于C14同位素丰度鉴定的头号专家,就是这位堺教授了。如果他不点头,中方是无法拿到“汉倭国王印”上的出土污渍样本,来进行实验操作的。

  只见山下教授带着学生,先用镭射光谱仪、隔着内部充氦的玻璃罩,扫描了一遍“汉倭国王印”。

  那是一枚只有2.3厘米见方大小的纯金印玺,加上博物馆里习惯了常年保持低照度环境、减少藏品的年曝光积分量,所以在外间的人,几乎很难看清楚操作。

  事实上,黄金制品是不怕曝光的。博物馆减少曝光,主要是为了保护字画一类容易老化、降解的有机物。

  不过,黄金制品外面沾染的来自于出土年份的污渍、其他附着物当中,难免有害怕曝光的物质,所以保护严密一点总归是小心无大错了。

  而且,在C14丰度鉴定实验中,关键就是这些来自于出土地层的污渍、附着物。

  因为金印理论上是Au单质。就算古代工艺不够完美,有些许碳元素以单质形态混杂在金印里,也不可能为了取样而切割、破坏金印本身,所以要取得碳元素较多的样本,就要从出土地层污渍下手。

  (印章的话还有一个优势,那就是沾染的印泥里有含碳元素。古代红色印泥除了含有朱砂成分外,还有添加一定量的植物油/植物香精,里面含有纤维素成分,这部分可以作为C14同位素丰度的鉴定材料。)

  山下教授先确定金印表面含碳丰富的污渍主要有那几片,然后一番操作猛如虎,总而言之就是把样本弄了下来,放在一根绝对清洁、不含碳的取样容器里。又经过一番操作,把碳原子团萃取出来。

  这些具体实验过程,忙了大约一个多小时,就不多赘述了——因为这里面没有什么新鲜的,在传统的离心法C14同位素丰度鉴定中,到这一步为止,操作也都是一样的。

  离心法和离子加速质谱法的区别,在后续环节才会体现出来。

  “石桑,这是从印泥部分萃取出来的碳原子团,后续的操作,就看你们了。”山下教授说着,就把那个特殊容器递给中方人员。

  里面的东西,估计才几个毫克分量,应该都是从印泥里萃取出来的古代植物油和纤维中的碳。

  石副主任却没敢接,只是对顾玩做了个手势。顾玩就当仁不让接过来,然后在石副主任和其他助手的帮助下,开始操作AMS。

  仪器内部的活动,宏观上当然是看不出来的,总而言之,过了半个多小时后,顾玩就得到了一份输出数据,然后再在专门的软件上计算了一番。

  “根据测定,样本中C14与C12的比例,约为1万5千2百亿分之一,与1万2千亿分之一的标准比,约为0.338个半衰周期。因此,可以初步判定,该样本上的印泥的年份,距今约1940年,正负误差20年。”

  顾玩先简洁地说了一下结论。

  外行人或许听了有些懵逼,但在场的都是大学教授,而且都是考古、原子物理这些对口专业的,自然是一听就懂。

  剩下的,只是对测量数据精度的怀疑。至于数据得到后的换算环节,大家毫无疑问,所有人都对公式了然于胸。

  众所周知,任何生命体在存活期间,构成其身体的有机物中的碳元素,都是会不断新陈代谢的,所以碳元素中C12和C14的比例,应该跟自然界C12和C14的平均比例一样,大约是1万2千亿倍。

  也就是假设你身上一块肉里,一共有1万2千亿零1个碳原子,那么其中1万2千亿个是C12,只有1个是C14。

  而生命体死后,就不会再新陈代谢补充碳元素了,所以化石,埋藏木/骨里的C14只会越来越少。

  根据高中化学知识,C14的半衰期是5730年,也就是过5730年后,死体内的C14会减少一半,C12和C14的比例,会变成2万4千亿倍。11460年后,会减少到初始态的四分之一,也就是4万8千亿倍……

  顾玩这套离子加速质谱仪,年代测定精度可以短到三十年左右,这已经相当于自然半衰期的5730年,除以2的8次方左右。因此,其能够测定出来的C14丰度变化,也应该大致相当于2倍的开八次根号。

  比如,当被测物年代距今有1910年,C14浓度应该只有新鲜状态的79.4%,距今1940年的时候,C14浓度应该只有新鲜状态的79.1%。

  考虑到自然状态下,C14就只有C12的1万2千亿分之一,所以他这个仪器基本上可以达到“每400万亿个碳原子里,少了一个C14原子,都能测出来”的程度。

  别觉得夸张,地球上世纪那些离子加速器质谱仪,也都是可以测到那么精确的。

  外行人或许觉得难以想象,但现代人类的物理科技,真的已经发达到这种程度了。

  ……

  京大考古系的山下教授对物理毕竟不是太精通,所以他只是知道上述原理和算法。

  但对于数据本身的测量是否可靠,还要靠东大高能物理系的堺教授定夺。

  如果这个测量本身可靠,那就意味着,能够证明“汉倭国王印”是1940年前之前的东西了(正负误差二十年)。

  堺俗人看着数据报表,摸着下巴思索了一会儿,问道:

  “对于从原混合碳原子团中、分离出来的C12原子团中的原子个数,我没什么异议。毕竟数量较大,可以用质量称量法直接称量,这一步,跟离心法的验证是一样的。

  可是,对于分离出来的C14原子团里,究竟有多少个14原子,你是怎么测算数量的呢?要知道,C14原子个数稀少,稍微差几个,就会导致误差率达到额定阈值之外。而且,你的新方法,是如何保证分离后的C12原子团里,一点C14都没有的?会不会还有黏连在一起,没分离出来的?”

  顾玩笑了,他立刻拿出一些实验记录过程的仪器内照片——当然,所谓的“照片”其实只是俗称,因为没有传统光学摄像仪器和技术,能精确到拍摄原子层面的东西。

  所以,那玩意儿事实上是类似于一些捕捉光栅记录的东西,非物理专业的看官,只要知道这玩意儿能记录实验过程中。原子流是如何通过加速管和偏转器的就行。

  “这是通过法拉第筒和偏转器的捕捉光栅记录。我们这套仪器,加了100万伏的端电压,足以把碳原子团中所有原子的表层电子完全剥离,并且按照洛伦兹力产生的加速度不同,把原子团打散。所以第二个问题,您看完这部分数据后,应该就不会有疑问了……”

  顾玩说着,还指点堺俗人教授如何看相关记录。

  花了大约十几分钟,把这个点解释清楚了。

  然后,他开始回答对方的第一个质疑点,也就是“他的仪器是如何精确称量C14原子个数的”。

  毕竟,C12原子可以按照“1摩尔(mole)碳12原子重12克”的算法来称量,因为多,重,宏观称就能称出来的。

  (注:1摩尔原子是6.02×10的23次方个。多废话一句,让高中没学化学的同学阅读起来友好一点。

  另外,上一句所称的“宏观”也就是几毫克甚至几微克。因为1微克就有10的15次方个碳原子了,也就是几千万亿个,对于同位素鉴定而言已经足够“宏观”)

  但是,C14原子,比C12原子少了至少一万多亿倍,那就很难称重了。可能一次实验搜集到的C14原子个数,才几万亿分之一毫克。

  传统离心法的时候,最后称量C14原子的个数,就不是非常精确,总有那么相当于总数至少百分之几的误差,也就导致年代测定至少误差几百年。

  “所以,我这套仪器,也没有用离心法惯用的质量称量法,来计算C14原子的个数——离心法是用离心力来分离原子的,我是用洛伦兹力来分离原子的。既然如此,一事不烦二主,我最终是吧所有的C14离子,进行总带电电荷测量。

  一个碳离子带4个正电荷,当电荷平衡时,算出悬浮负极有多少电子形成的电势差,不就能算出这团碳离子里的原子个数了么?而微观状态下测量电势差的精度,要远远高于称重量的精度。”

  “对啊……我怎么没想到……”堺俗人教授失声惊呼。8)
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