碳有三種自然同位素，其中碳-14具有放射性稍微特別一點，它存在於自然界中所有的生物體中，那麼問題來了，根據碳-14的半衰期5730年，地球上應該已經沒有碳-14了，那麼碳-14又是怎樣產生的？它又是如何跑進我們身體中的？怎樣根據碳-14測定年代？以及1200年前地球上碳-14水平的異常事件是咋回事？今天就說這些問題。
碳的三種自然同位素：碳-12、13、14
說到碳，我們第一個想到的就是地球上充滿多樣性的生命形式，我們所知的每一種生物都由四種基本元素構成：碳、氮、氧、氫。但是碳是最重要、也是最特別的元素，它是有機分子的基礎，是生命體的基石。
從鑽石到納米管再到DNA，碳對於構造最複雜的結構必不可少。地球上大部分的碳都來自於上一代恆星死亡時的超新星爆發，目前絕大多數以碳-12的形式存在，也就是原子核中有6箇中子。
碳有三種自然同位素，其中碳-14具有放射性稍微特別一點，它存在於自然界中所有的生物體中，那麼問題來了，根據碳-14的半衰期5730年，地球上應該已經沒有碳-14了，那麼碳-14又是怎樣產生的？它又是如何跑進我們身體中的？怎樣根據碳-14測定年代？以及1200年前地球上碳-14水平的異常事件是咋回事？今天就說這些問題。
碳的三種自然同位素：碳-12、13、14
說到碳，我們第一個想到的就是地球上充滿多樣性的生命形式，我們所知的每一種生物都由四種基本元素構成：碳、氮、氧、氫。但是碳是最重要、也是最特別的元素，它是有機分子的基礎，是生命體的基石。
從鑽石到納米管再到DNA，碳對於構造最複雜的結構必不可少。地球上大部分的碳都來自於上一代恆星死亡時的超新星爆發，目前絕大多數以碳-12的形式存在，也就是原子核中有6箇中子。
在碳的總量中1.1%是以碳-13的形式存在，原子核中多了一箇中子。雖然碳-13也很穩定，但在恆星中碳-13形成的頻率要比碳-12低得多，所以碳-12不僅在地球上是碳的主要形式，而且在我們可觀察宇宙的任何地方都應該是這個樣子，這一點並不奇怪，因為走到哪物理定律都是一樣的，恆星也以同樣的方式聚變。
但還有另外一種形式的碳，也是我們今天的主角，雖然它的丰度相對來說很低很低，但是它很重要，也很有趣，絕對值得我們深入的討論。
碳有三種自然同位素，其中碳-14具有放射性稍微特別一點，它存在於自然界中所有的生物體中，那麼問題來了，根據碳-14的半衰期5730年，地球上應該已經沒有碳-14了，那麼碳-14又是怎樣產生的？它又是如何跑進我們身體中的？怎樣根據碳-14測定年代？以及1200年前地球上碳-14水平的異常事件是咋回事？今天就說這些問題。
碳的三種自然同位素：碳-12、13、14
說到碳，我們第一個想到的就是地球上充滿多樣性的生命形式，我們所知的每一種生物都由四種基本元素構成：碳、氮、氧、氫。但是碳是最重要、也是最特別的元素，它是有機分子的基礎，是生命體的基石。
從鑽石到納米管再到DNA，碳對於構造最複雜的結構必不可少。地球上大部分的碳都來自於上一代恆星死亡時的超新星爆發，目前絕大多數以碳-12的形式存在，也就是原子核中有6箇中子。
在碳的總量中1.1%是以碳-13的形式存在，原子核中多了一箇中子。雖然碳-13也很穩定，但在恆星中碳-13形成的頻率要比碳-12低得多，所以碳-12不僅在地球上是碳的主要形式，而且在我們可觀察宇宙的任何地方都應該是這個樣子，這一點並不奇怪，因為走到哪物理定律都是一樣的，恆星也以同樣的方式聚變。
但還有另外一種形式的碳，也是我們今天的主角，雖然它的丰度相對來說很低很低，但是它很重要，也很有趣，絕對值得我們深入的討論。
它就是碳14，原子核中有8箇中子的碳原子，碳-14非常罕見而且原子核本身也不穩定會發生衰變，在地球上的碳總量中只有1 /萬億的碳原子是碳-14。數十億年前在恆星中形成的碳-14原子的半衰期為5700年，地球目前已經存在了45億年，所以古老的恆星賦予我們的碳-14早已衰變為氮原子了。那麼地球上現在的碳-14咋來的，彆著急，下文會說到。
碳-14原子為啥會衰變呢？
當一個原子的中子數與原子核中的質子數不匹配時，多出來的中子就覺得自己有點多餘，於是原子核通常會發生以下兩種方式的衰變：
- 一種是α衰變，即原子核發射一個氦-4原子核（兩個質子和兩個中子）
- 另一種是β衰變，即原子核中的一箇中子通過發射一個電子、一個反電子中微子轉變為質子。
所以在碳-14中多出來一箇中子，就會經歷β衰變，半衰期為5700年，衰變後的碳-14會變為氮原子，衰變過程中的重子數是守恆的。
碳有三種自然同位素，其中碳-14具有放射性稍微特別一點，它存在於自然界中所有的生物體中，那麼問題來了，根據碳-14的半衰期5730年，地球上應該已經沒有碳-14了，那麼碳-14又是怎樣產生的？它又是如何跑進我們身體中的？怎樣根據碳-14測定年代？以及1200年前地球上碳-14水平的異常事件是咋回事？今天就說這些問題。
碳的三種自然同位素：碳-12、13、14
說到碳，我們第一個想到的就是地球上充滿多樣性的生命形式，我們所知的每一種生物都由四種基本元素構成：碳、氮、氧、氫。但是碳是最重要、也是最特別的元素，它是有機分子的基礎，是生命體的基石。
從鑽石到納米管再到DNA，碳對於構造最複雜的結構必不可少。地球上大部分的碳都來自於上一代恆星死亡時的超新星爆發，目前絕大多數以碳-12的形式存在，也就是原子核中有6箇中子。
在碳的總量中1.1%是以碳-13的形式存在，原子核中多了一箇中子。雖然碳-13也很穩定，但在恆星中碳-13形成的頻率要比碳-12低得多，所以碳-12不僅在地球上是碳的主要形式，而且在我們可觀察宇宙的任何地方都應該是這個樣子，這一點並不奇怪，因為走到哪物理定律都是一樣的，恆星也以同樣的方式聚變。
但還有另外一種形式的碳，也是我們今天的主角，雖然它的丰度相對來說很低很低，但是它很重要，也很有趣，絕對值得我們深入的討論。
它就是碳14，原子核中有8箇中子的碳原子，碳-14非常罕見而且原子核本身也不穩定會發生衰變，在地球上的碳總量中只有1 /萬億的碳原子是碳-14。數十億年前在恆星中形成的碳-14原子的半衰期為5700年，地球目前已經存在了45億年，所以古老的恆星賦予我們的碳-14早已衰變為氮原子了。那麼地球上現在的碳-14咋來的，彆著急，下文會說到。
碳-14原子為啥會衰變呢？
當一個原子的中子數與原子核中的質子數不匹配時，多出來的中子就覺得自己有點多餘，於是原子核通常會發生以下兩種方式的衰變：
- 一種是α衰變，即原子核發射一個氦-4原子核（兩個質子和兩個中子）
- 另一種是β衰變，即原子核中的一箇中子通過發射一個電子、一個反電子中微子轉變為質子。
所以在碳-14中多出來一箇中子，就會經歷β衰變，半衰期為5700年，衰變後的碳-14會變為氮原子，衰變過程中的重子數是守恆的。
上文說地球上一萬億分之一的碳是碳-14的形式，但地球上的碳含量驚人，基數很大，所以碳-14實際上也不少。在所有的有機生命體中，當然也包括我們自己的身體，甚至是海洋中的生物體內，都存在著少量、但含量穩定的碳-14。
那麼地球上的碳-14咋來的？或者說這種放射性的碳-14是咋跑到我們身體裡的？
簡單的回答就是：它來自宇宙。
碳有三種自然同位素，其中碳-14具有放射性稍微特別一點，它存在於自然界中所有的生物體中，那麼問題來了，根據碳-14的半衰期5730年，地球上應該已經沒有碳-14了，那麼碳-14又是怎樣產生的？它又是如何跑進我們身體中的？怎樣根據碳-14測定年代？以及1200年前地球上碳-14水平的異常事件是咋回事？今天就說這些問題。
碳的三種自然同位素：碳-12、13、14
說到碳，我們第一個想到的就是地球上充滿多樣性的生命形式，我們所知的每一種生物都由四種基本元素構成：碳、氮、氧、氫。但是碳是最重要、也是最特別的元素，它是有機分子的基礎，是生命體的基石。
從鑽石到納米管再到DNA，碳對於構造最複雜的結構必不可少。地球上大部分的碳都來自於上一代恆星死亡時的超新星爆發，目前絕大多數以碳-12的形式存在，也就是原子核中有6箇中子。
在碳的總量中1.1%是以碳-13的形式存在，原子核中多了一箇中子。雖然碳-13也很穩定，但在恆星中碳-13形成的頻率要比碳-12低得多，所以碳-12不僅在地球上是碳的主要形式，而且在我們可觀察宇宙的任何地方都應該是這個樣子，這一點並不奇怪，因為走到哪物理定律都是一樣的，恆星也以同樣的方式聚變。
但還有另外一種形式的碳，也是我們今天的主角，雖然它的丰度相對來說很低很低，但是它很重要，也很有趣，絕對值得我們深入的討論。
它就是碳14，原子核中有8箇中子的碳原子，碳-14非常罕見而且原子核本身也不穩定會發生衰變，在地球上的碳總量中只有1 /萬億的碳原子是碳-14。數十億年前在恆星中形成的碳-14原子的半衰期為5700年，地球目前已經存在了45億年，所以古老的恆星賦予我們的碳-14早已衰變為氮原子了。那麼地球上現在的碳-14咋來的，彆著急，下文會說到。
碳-14原子為啥會衰變呢？
當一個原子的中子數與原子核中的質子數不匹配時，多出來的中子就覺得自己有點多餘，於是原子核通常會發生以下兩種方式的衰變：
- 一種是α衰變，即原子核發射一個氦-4原子核（兩個質子和兩個中子）
- 另一種是β衰變，即原子核中的一箇中子通過發射一個電子、一個反電子中微子轉變為質子。
所以在碳-14中多出來一箇中子，就會經歷β衰變，半衰期為5700年，衰變後的碳-14會變為氮原子，衰變過程中的重子數是守恆的。
上文說地球上一萬億分之一的碳是碳-14的形式，但地球上的碳含量驚人，基數很大，所以碳-14實際上也不少。在所有的有機生命體中，當然也包括我們自己的身體，甚至是海洋中的生物體內，都存在著少量、但含量穩定的碳-14。
那麼地球上的碳-14咋來的？或者說這種放射性的碳-14是咋跑到我們身體裡的？
簡單的回答就是：它來自宇宙。
從整個銀河系到整個宇宙，從恆星（包括我們的太陽）、脈衝星到黑洞等等，太空中充滿了高能粒子，即宇宙射線。通常情況下宇宙射線只包含質子，但少數情況下是一些較重的離子，甚至是不起眼、很輕很輕的電子。
我們先看一下什麼叫高能粒子！主要突出這個高能！
碳有三種自然同位素，其中碳-14具有放射性稍微特別一點，它存在於自然界中所有的生物體中，那麼問題來了，根據碳-14的半衰期5730年，地球上應該已經沒有碳-14了，那麼碳-14又是怎樣產生的？它又是如何跑進我們身體中的？怎樣根據碳-14測定年代？以及1200年前地球上碳-14水平的異常事件是咋回事？今天就說這些問題。
碳的三種自然同位素：碳-12、13、14
說到碳，我們第一個想到的就是地球上充滿多樣性的生命形式，我們所知的每一種生物都由四種基本元素構成：碳、氮、氧、氫。但是碳是最重要、也是最特別的元素，它是有機分子的基礎，是生命體的基石。
從鑽石到納米管再到DNA，碳對於構造最複雜的結構必不可少。地球上大部分的碳都來自於上一代恆星死亡時的超新星爆發，目前絕大多數以碳-12的形式存在，也就是原子核中有6箇中子。
在碳的總量中1.1%是以碳-13的形式存在，原子核中多了一箇中子。雖然碳-13也很穩定，但在恆星中碳-13形成的頻率要比碳-12低得多，所以碳-12不僅在地球上是碳的主要形式，而且在我們可觀察宇宙的任何地方都應該是這個樣子，這一點並不奇怪，因為走到哪物理定律都是一樣的，恆星也以同樣的方式聚變。
但還有另外一種形式的碳，也是我們今天的主角，雖然它的丰度相對來說很低很低，但是它很重要，也很有趣，絕對值得我們深入的討論。
它就是碳14，原子核中有8箇中子的碳原子，碳-14非常罕見而且原子核本身也不穩定會發生衰變，在地球上的碳總量中只有1 /萬億的碳原子是碳-14。數十億年前在恆星中形成的碳-14原子的半衰期為5700年，地球目前已經存在了45億年，所以古老的恆星賦予我們的碳-14早已衰變為氮原子了。那麼地球上現在的碳-14咋來的，彆著急，下文會說到。
碳-14原子為啥會衰變呢？
當一個原子的中子數與原子核中的質子數不匹配時，多出來的中子就覺得自己有點多餘，於是原子核通常會發生以下兩種方式的衰變：
- 一種是α衰變，即原子核發射一個氦-4原子核（兩個質子和兩個中子）
- 另一種是β衰變，即原子核中的一箇中子通過發射一個電子、一個反電子中微子轉變為質子。
所以在碳-14中多出來一箇中子，就會經歷β衰變，半衰期為5700年，衰變後的碳-14會變為氮原子，衰變過程中的重子數是守恆的。
上文說地球上一萬億分之一的碳是碳-14的形式，但地球上的碳含量驚人，基數很大，所以碳-14實際上也不少。在所有的有機生命體中，當然也包括我們自己的身體，甚至是海洋中的生物體內，都存在著少量、但含量穩定的碳-14。
那麼地球上的碳-14咋來的？或者說這種放射性的碳-14是咋跑到我們身體裡的？
簡單的回答就是：它來自宇宙。
從整個銀河系到整個宇宙，從恆星（包括我們的太陽）、脈衝星到黑洞等等，太空中充滿了高能粒子，即宇宙射線。通常情況下宇宙射線只包含質子，但少數情況下是一些較重的離子，甚至是不起眼、很輕很輕的電子。
我們先看一下什麼叫高能粒子！主要突出這個高能！
太陽輻射粒子的能量上限為幾兆電子伏（大約10^6電子伏），而宇宙射線的能量通常會達到TeV的範圍（大約10^12 eV與大型強子對撞機產生的能量相同)，甚至更高，最高可達4或5×10^19 eV。
通常從太陽發射出來的粒子由於能量不足並不是產生碳-14，但是來自太陽系以外能量在10^10 eV及以上的高能粒子，與地球高層大氣相撞時，就能產生巨大的核級聯反應，也就是連鎖反應。
碳有三種自然同位素，其中碳-14具有放射性稍微特別一點，它存在於自然界中所有的生物體中，那麼問題來了，根據碳-14的半衰期5730年，地球上應該已經沒有碳-14了，那麼碳-14又是怎樣產生的？它又是如何跑進我們身體中的？怎樣根據碳-14測定年代？以及1200年前地球上碳-14水平的異常事件是咋回事？今天就說這些問題。
碳的三種自然同位素：碳-12、13、14
說到碳，我們第一個想到的就是地球上充滿多樣性的生命形式，我們所知的每一種生物都由四種基本元素構成：碳、氮、氧、氫。但是碳是最重要、也是最特別的元素，它是有機分子的基礎，是生命體的基石。
從鑽石到納米管再到DNA，碳對於構造最複雜的結構必不可少。地球上大部分的碳都來自於上一代恆星死亡時的超新星爆發，目前絕大多數以碳-12的形式存在，也就是原子核中有6箇中子。
在碳的總量中1.1%是以碳-13的形式存在，原子核中多了一箇中子。雖然碳-13也很穩定，但在恆星中碳-13形成的頻率要比碳-12低得多，所以碳-12不僅在地球上是碳的主要形式，而且在我們可觀察宇宙的任何地方都應該是這個樣子，這一點並不奇怪，因為走到哪物理定律都是一樣的，恆星也以同樣的方式聚變。
但還有另外一種形式的碳，也是我們今天的主角，雖然它的丰度相對來說很低很低，但是它很重要，也很有趣，絕對值得我們深入的討論。
它就是碳14，原子核中有8箇中子的碳原子，碳-14非常罕見而且原子核本身也不穩定會發生衰變，在地球上的碳總量中只有1 /萬億的碳原子是碳-14。數十億年前在恆星中形成的碳-14原子的半衰期為5700年，地球目前已經存在了45億年，所以古老的恆星賦予我們的碳-14早已衰變為氮原子了。那麼地球上現在的碳-14咋來的，彆著急，下文會說到。
碳-14原子為啥會衰變呢？
當一個原子的中子數與原子核中的質子數不匹配時，多出來的中子就覺得自己有點多餘，於是原子核通常會發生以下兩種方式的衰變：
- 一種是α衰變，即原子核發射一個氦-4原子核（兩個質子和兩個中子）
- 另一種是β衰變，即原子核中的一箇中子通過發射一個電子、一個反電子中微子轉變為質子。
所以在碳-14中多出來一箇中子，就會經歷β衰變，半衰期為5700年，衰變後的碳-14會變為氮原子，衰變過程中的重子數是守恆的。
上文說地球上一萬億分之一的碳是碳-14的形式，但地球上的碳含量驚人，基數很大，所以碳-14實際上也不少。在所有的有機生命體中，當然也包括我們自己的身體，甚至是海洋中的生物體內，都存在著少量、但含量穩定的碳-14。
那麼地球上的碳-14咋來的？或者說這種放射性的碳-14是咋跑到我們身體裡的？
簡單的回答就是：它來自宇宙。
從整個銀河系到整個宇宙，從恆星（包括我們的太陽）、脈衝星到黑洞等等，太空中充滿了高能粒子，即宇宙射線。通常情況下宇宙射線只包含質子，但少數情況下是一些較重的離子，甚至是不起眼、很輕很輕的電子。
我們先看一下什麼叫高能粒子！主要突出這個高能！
太陽輻射粒子的能量上限為幾兆電子伏（大約10^6電子伏），而宇宙射線的能量通常會達到TeV的範圍（大約10^12 eV與大型強子對撞機產生的能量相同)，甚至更高，最高可達4或5×10^19 eV。
通常從太陽發射出來的粒子由於能量不足並不是產生碳-14，但是來自太陽系以外能量在10^10 eV及以上的高能粒子，與地球高層大氣相撞時，就能產生巨大的核級聯反應，也就是連鎖反應。
想一下我們的強子對撞機是咋工作的，加速粒子讓其相撞，會產生大量的亞原子粒子。那麼比對撞機能量還高的宇宙射線，要是撞擊了氮原子核會怎樣？撞擊的能量會發生連鎖反應，大量的氮原子核會被擊碎，產生大量的（穩定的，不穩定的，準穩定的）亞原子粒子，其中也包括非常重要的自由中子。中子之所以說它重要，我們想一下碳-14是如何衰變為氮的。
如果碳-14能分解成氮-14和其他物質，那麼我們就能將氮-14和合適的物質結合來生成碳14。在這種情況下，合適的物質就是一箇中子，在宇宙射線撞擊高層大氣時會發生以下反應：
碳有三種自然同位素，其中碳-14具有放射性稍微特別一點，它存在於自然界中所有的生物體中，那麼問題來了，根據碳-14的半衰期5730年，地球上應該已經沒有碳-14了，那麼碳-14又是怎樣產生的？它又是如何跑進我們身體中的？怎樣根據碳-14測定年代？以及1200年前地球上碳-14水平的異常事件是咋回事？今天就說這些問題。
碳的三種自然同位素：碳-12、13、14
說到碳，我們第一個想到的就是地球上充滿多樣性的生命形式，我們所知的每一種生物都由四種基本元素構成：碳、氮、氧、氫。但是碳是最重要、也是最特別的元素，它是有機分子的基礎，是生命體的基石。
從鑽石到納米管再到DNA，碳對於構造最複雜的結構必不可少。地球上大部分的碳都來自於上一代恆星死亡時的超新星爆發，目前絕大多數以碳-12的形式存在，也就是原子核中有6箇中子。
在碳的總量中1.1%是以碳-13的形式存在，原子核中多了一箇中子。雖然碳-13也很穩定，但在恆星中碳-13形成的頻率要比碳-12低得多，所以碳-12不僅在地球上是碳的主要形式，而且在我們可觀察宇宙的任何地方都應該是這個樣子，這一點並不奇怪，因為走到哪物理定律都是一樣的，恆星也以同樣的方式聚變。
但還有另外一種形式的碳，也是我們今天的主角，雖然它的丰度相對來說很低很低，但是它很重要，也很有趣，絕對值得我們深入的討論。
它就是碳14，原子核中有8箇中子的碳原子，碳-14非常罕見而且原子核本身也不穩定會發生衰變，在地球上的碳總量中只有1 /萬億的碳原子是碳-14。數十億年前在恆星中形成的碳-14原子的半衰期為5700年，地球目前已經存在了45億年，所以古老的恆星賦予我們的碳-14早已衰變為氮原子了。那麼地球上現在的碳-14咋來的，彆著急，下文會說到。
碳-14原子為啥會衰變呢？
當一個原子的中子數與原子核中的質子數不匹配時，多出來的中子就覺得自己有點多餘，於是原子核通常會發生以下兩種方式的衰變：
- 一種是α衰變，即原子核發射一個氦-4原子核（兩個質子和兩個中子）
- 另一種是β衰變，即原子核中的一箇中子通過發射一個電子、一個反電子中微子轉變為質子。
所以在碳-14中多出來一箇中子，就會經歷β衰變，半衰期為5700年，衰變後的碳-14會變為氮原子，衰變過程中的重子數是守恆的。
上文說地球上一萬億分之一的碳是碳-14的形式，但地球上的碳含量驚人，基數很大，所以碳-14實際上也不少。在所有的有機生命體中，當然也包括我們自己的身體，甚至是海洋中的生物體內，都存在著少量、但含量穩定的碳-14。
那麼地球上的碳-14咋來的？或者說這種放射性的碳-14是咋跑到我們身體裡的？
簡單的回答就是：它來自宇宙。
從整個銀河系到整個宇宙，從恆星（包括我們的太陽）、脈衝星到黑洞等等，太空中充滿了高能粒子，即宇宙射線。通常情況下宇宙射線只包含質子，但少數情況下是一些較重的離子，甚至是不起眼、很輕很輕的電子。
我們先看一下什麼叫高能粒子！主要突出這個高能！
太陽輻射粒子的能量上限為幾兆電子伏（大約10^6電子伏），而宇宙射線的能量通常會達到TeV的範圍（大約10^12 eV與大型強子對撞機產生的能量相同)，甚至更高，最高可達4或5×10^19 eV。
通常從太陽發射出來的粒子由於能量不足並不是產生碳-14，但是來自太陽系以外能量在10^10 eV及以上的高能粒子，與地球高層大氣相撞時，就能產生巨大的核級聯反應，也就是連鎖反應。
想一下我們的強子對撞機是咋工作的，加速粒子讓其相撞，會產生大量的亞原子粒子。那麼比對撞機能量還高的宇宙射線，要是撞擊了氮原子核會怎樣？撞擊的能量會發生連鎖反應，大量的氮原子核會被擊碎，產生大量的（穩定的，不穩定的，準穩定的）亞原子粒子，其中也包括非常重要的自由中子。中子之所以說它重要，我們想一下碳-14是如何衰變為氮的。
如果碳-14能分解成氮-14和其他物質，那麼我們就能將氮-14和合適的物質結合來生成碳14。在這種情況下，合適的物質就是一箇中子，在宇宙射線撞擊高層大氣時會發生以下反應：
宇宙就是這樣給我們地球“送來”碳-14的。
碳-14一旦產生，它的行為會和其他碳的同位素一樣，很快與氧氣結合形成C¹⁴O₂，因為分子的形成和往後的化學反應都是在電子層面上發生的，已經和原子核沒有關係了，形成的C¹⁴O₂又會與大氣和海洋混合，植物吸收，動物呼吸，動物吃植物，所以C¹⁴O₂很容易進入活的有機體，其含量會達到一種平衡狀態。
據我們所知，在過去的幾千年裡，全世界的碳-14水平基本保持不變，產生和衰變的速率達到了平衡。在生物的生命週期中，所有的碳基生物都會以和大氣濃度同樣的比例吸收碳12、13和14，對於植物、動物、真菌和所有其他大大小小的生物來說，在生命的各個階段都是如此。
然而，當一個有機體死亡時，就不會與大自然在進行碳循環了，以前身體內殘留的碳-14原子會發生衰變。我們可以通過測量任何已死亡的生物體中碳14與碳12的比例，並將其與自然發生的比例進行比較，來衡量其死亡的時間，這就是碳-14的年代測定法。
核試驗導致的碳-14含量波動
在20世紀中期，我們環境中的碳-14含量出現了波動，因為當時核武器實驗都是在露天下進行的，核爆炸產生的碳-14會飄散到世界各個地方，放射性塵埃對大氣有很強的汙染，一開始科學家根本就想不到這些問題，估計也沒功夫想這些事。從那個年到過來的人，身體內碳-14含量也會增加。這就是現在核試驗轉到地下的原因。
碳有三種自然同位素，其中碳-14具有放射性稍微特別一點，它存在於自然界中所有的生物體中，那麼問題來了，根據碳-14的半衰期5730年，地球上應該已經沒有碳-14了，那麼碳-14又是怎樣產生的？它又是如何跑進我們身體中的？怎樣根據碳-14測定年代？以及1200年前地球上碳-14水平的異常事件是咋回事？今天就說這些問題。
碳的三種自然同位素：碳-12、13、14
說到碳，我們第一個想到的就是地球上充滿多樣性的生命形式，我們所知的每一種生物都由四種基本元素構成：碳、氮、氧、氫。但是碳是最重要、也是最特別的元素，它是有機分子的基礎，是生命體的基石。
從鑽石到納米管再到DNA，碳對於構造最複雜的結構必不可少。地球上大部分的碳都來自於上一代恆星死亡時的超新星爆發，目前絕大多數以碳-12的形式存在，也就是原子核中有6箇中子。
在碳的總量中1.1%是以碳-13的形式存在，原子核中多了一箇中子。雖然碳-13也很穩定，但在恆星中碳-13形成的頻率要比碳-12低得多，所以碳-12不僅在地球上是碳的主要形式，而且在我們可觀察宇宙的任何地方都應該是這個樣子，這一點並不奇怪，因為走到哪物理定律都是一樣的，恆星也以同樣的方式聚變。
但還有另外一種形式的碳，也是我們今天的主角，雖然它的丰度相對來說很低很低，但是它很重要，也很有趣，絕對值得我們深入的討論。
它就是碳14，原子核中有8箇中子的碳原子，碳-14非常罕見而且原子核本身也不穩定會發生衰變，在地球上的碳總量中只有1 /萬億的碳原子是碳-14。數十億年前在恆星中形成的碳-14原子的半衰期為5700年，地球目前已經存在了45億年，所以古老的恆星賦予我們的碳-14早已衰變為氮原子了。那麼地球上現在的碳-14咋來的，彆著急，下文會說到。
碳-14原子為啥會衰變呢？
當一個原子的中子數與原子核中的質子數不匹配時，多出來的中子就覺得自己有點多餘，於是原子核通常會發生以下兩種方式的衰變：
- 一種是α衰變，即原子核發射一個氦-4原子核（兩個質子和兩個中子）
- 另一種是β衰變，即原子核中的一箇中子通過發射一個電子、一個反電子中微子轉變為質子。
所以在碳-14中多出來一箇中子，就會經歷β衰變，半衰期為5700年，衰變後的碳-14會變為氮原子，衰變過程中的重子數是守恆的。
上文說地球上一萬億分之一的碳是碳-14的形式，但地球上的碳含量驚人，基數很大，所以碳-14實際上也不少。在所有的有機生命體中，當然也包括我們自己的身體，甚至是海洋中的生物體內，都存在著少量、但含量穩定的碳-14。
那麼地球上的碳-14咋來的？或者說這種放射性的碳-14是咋跑到我們身體裡的？
簡單的回答就是：它來自宇宙。
從整個銀河系到整個宇宙，從恆星（包括我們的太陽）、脈衝星到黑洞等等，太空中充滿了高能粒子，即宇宙射線。通常情況下宇宙射線只包含質子，但少數情況下是一些較重的離子，甚至是不起眼、很輕很輕的電子。
我們先看一下什麼叫高能粒子！主要突出這個高能！
太陽輻射粒子的能量上限為幾兆電子伏（大約10^6電子伏），而宇宙射線的能量通常會達到TeV的範圍（大約10^12 eV與大型強子對撞機產生的能量相同)，甚至更高，最高可達4或5×10^19 eV。
通常從太陽發射出來的粒子由於能量不足並不是產生碳-14，但是來自太陽系以外能量在10^10 eV及以上的高能粒子，與地球高層大氣相撞時，就能產生巨大的核級聯反應，也就是連鎖反應。
想一下我們的強子對撞機是咋工作的，加速粒子讓其相撞，會產生大量的亞原子粒子。那麼比對撞機能量還高的宇宙射線，要是撞擊了氮原子核會怎樣？撞擊的能量會發生連鎖反應，大量的氮原子核會被擊碎，產生大量的（穩定的，不穩定的，準穩定的）亞原子粒子，其中也包括非常重要的自由中子。中子之所以說它重要，我們想一下碳-14是如何衰變為氮的。
如果碳-14能分解成氮-14和其他物質，那麼我們就能將氮-14和合適的物質結合來生成碳14。在這種情況下，合適的物質就是一箇中子，在宇宙射線撞擊高層大氣時會發生以下反應：
宇宙就是這樣給我們地球“送來”碳-14的。
碳-14一旦產生，它的行為會和其他碳的同位素一樣，很快與氧氣結合形成C¹⁴O₂，因為分子的形成和往後的化學反應都是在電子層面上發生的，已經和原子核沒有關係了，形成的C¹⁴O₂又會與大氣和海洋混合，植物吸收，動物呼吸，動物吃植物，所以C¹⁴O₂很容易進入活的有機體，其含量會達到一種平衡狀態。
據我們所知，在過去的幾千年裡，全世界的碳-14水平基本保持不變，產生和衰變的速率達到了平衡。在生物的生命週期中，所有的碳基生物都會以和大氣濃度同樣的比例吸收碳12、13和14，對於植物、動物、真菌和所有其他大大小小的生物來說，在生命的各個階段都是如此。
然而，當一個有機體死亡時，就不會與大自然在進行碳循環了，以前身體內殘留的碳-14原子會發生衰變。我們可以通過測量任何已死亡的生物體中碳14與碳12的比例，並將其與自然發生的比例進行比較，來衡量其死亡的時間，這就是碳-14的年代測定法。
核試驗導致的碳-14含量波動
在20世紀中期，我們環境中的碳-14含量出現了波動，因為當時核武器實驗都是在露天下進行的，核爆炸產生的碳-14會飄散到世界各個地方，放射性塵埃對大氣有很強的汙染，一開始科學家根本就想不到這些問題，估計也沒功夫想這些事。從那個年到過來的人，身體內碳-14含量也會增加。這就是現在核試驗轉到地下的原因。
上圖可以看到，在1963年，碳-14含量達到了峰值，在核試驗轉入地下以後，大氣層中的碳-14含量已經逐步恢復到了基線水平。
1200年以前地球上碳-14含量飆升之謎
很長一段時間，人們一直認為只有核反應、核試驗才會導致碳-14水平的激增。但科學家發現早在8世紀地球上的碳-14水平就出現過一次短暫的大幅飆升！8世紀？這是咋回事呢？
科學家通過觀察日本古代雪松的年輪，看到碳-14的濃度從770年開始上升，在780年達到頂峰，然後開始下降。
碳有三種自然同位素，其中碳-14具有放射性稍微特別一點，它存在於自然界中所有的生物體中，那麼問題來了，根據碳-14的半衰期5730年，地球上應該已經沒有碳-14了，那麼碳-14又是怎樣產生的？它又是如何跑進我們身體中的？怎樣根據碳-14測定年代？以及1200年前地球上碳-14水平的異常事件是咋回事？今天就說這些問題。
碳的三種自然同位素：碳-12、13、14
說到碳，我們第一個想到的就是地球上充滿多樣性的生命形式，我們所知的每一種生物都由四種基本元素構成：碳、氮、氧、氫。但是碳是最重要、也是最特別的元素，它是有機分子的基礎，是生命體的基石。
從鑽石到納米管再到DNA，碳對於構造最複雜的結構必不可少。地球上大部分的碳都來自於上一代恆星死亡時的超新星爆發，目前絕大多數以碳-12的形式存在，也就是原子核中有6箇中子。
在碳的總量中1.1%是以碳-13的形式存在，原子核中多了一箇中子。雖然碳-13也很穩定，但在恆星中碳-13形成的頻率要比碳-12低得多，所以碳-12不僅在地球上是碳的主要形式，而且在我們可觀察宇宙的任何地方都應該是這個樣子，這一點並不奇怪，因為走到哪物理定律都是一樣的，恆星也以同樣的方式聚變。
但還有另外一種形式的碳，也是我們今天的主角，雖然它的丰度相對來說很低很低，但是它很重要，也很有趣，絕對值得我們深入的討論。
它就是碳14，原子核中有8箇中子的碳原子，碳-14非常罕見而且原子核本身也不穩定會發生衰變，在地球上的碳總量中只有1 /萬億的碳原子是碳-14。數十億年前在恆星中形成的碳-14原子的半衰期為5700年，地球目前已經存在了45億年，所以古老的恆星賦予我們的碳-14早已衰變為氮原子了。那麼地球上現在的碳-14咋來的，彆著急，下文會說到。
碳-14原子為啥會衰變呢？
當一個原子的中子數與原子核中的質子數不匹配時，多出來的中子就覺得自己有點多餘，於是原子核通常會發生以下兩種方式的衰變：
- 一種是α衰變，即原子核發射一個氦-4原子核（兩個質子和兩個中子）
- 另一種是β衰變，即原子核中的一箇中子通過發射一個電子、一個反電子中微子轉變為質子。
所以在碳-14中多出來一箇中子，就會經歷β衰變，半衰期為5700年，衰變後的碳-14會變為氮原子，衰變過程中的重子數是守恆的。
上文說地球上一萬億分之一的碳是碳-14的形式，但地球上的碳含量驚人，基數很大，所以碳-14實際上也不少。在所有的有機生命體中，當然也包括我們自己的身體，甚至是海洋中的生物體內，都存在著少量、但含量穩定的碳-14。
那麼地球上的碳-14咋來的？或者說這種放射性的碳-14是咋跑到我們身體裡的？
簡單的回答就是：它來自宇宙。
從整個銀河系到整個宇宙，從恆星（包括我們的太陽）、脈衝星到黑洞等等，太空中充滿了高能粒子，即宇宙射線。通常情況下宇宙射線只包含質子，但少數情況下是一些較重的離子，甚至是不起眼、很輕很輕的電子。
我們先看一下什麼叫高能粒子！主要突出這個高能！
太陽輻射粒子的能量上限為幾兆電子伏（大約10^6電子伏），而宇宙射線的能量通常會達到TeV的範圍（大約10^12 eV與大型強子對撞機產生的能量相同)，甚至更高，最高可達4或5×10^19 eV。
通常從太陽發射出來的粒子由於能量不足並不是產生碳-14，但是來自太陽系以外能量在10^10 eV及以上的高能粒子，與地球高層大氣相撞時，就能產生巨大的核級聯反應，也就是連鎖反應。
想一下我們的強子對撞機是咋工作的，加速粒子讓其相撞，會產生大量的亞原子粒子。那麼比對撞機能量還高的宇宙射線，要是撞擊了氮原子核會怎樣？撞擊的能量會發生連鎖反應，大量的氮原子核會被擊碎，產生大量的（穩定的，不穩定的，準穩定的）亞原子粒子，其中也包括非常重要的自由中子。中子之所以說它重要，我們想一下碳-14是如何衰變為氮的。
如果碳-14能分解成氮-14和其他物質，那麼我們就能將氮-14和合適的物質結合來生成碳14。在這種情況下，合適的物質就是一箇中子，在宇宙射線撞擊高層大氣時會發生以下反應：
宇宙就是這樣給我們地球“送來”碳-14的。
碳-14一旦產生，它的行為會和其他碳的同位素一樣，很快與氧氣結合形成C¹⁴O₂，因為分子的形成和往後的化學反應都是在電子層面上發生的，已經和原子核沒有關係了，形成的C¹⁴O₂又會與大氣和海洋混合，植物吸收，動物呼吸，動物吃植物，所以C¹⁴O₂很容易進入活的有機體，其含量會達到一種平衡狀態。
據我們所知，在過去的幾千年裡，全世界的碳-14水平基本保持不變，產生和衰變的速率達到了平衡。在生物的生命週期中，所有的碳基生物都會以和大氣濃度同樣的比例吸收碳12、13和14，對於植物、動物、真菌和所有其他大大小小的生物來說，在生命的各個階段都是如此。
然而，當一個有機體死亡時，就不會與大自然在進行碳循環了，以前身體內殘留的碳-14原子會發生衰變。我們可以通過測量任何已死亡的生物體中碳14與碳12的比例，並將其與自然發生的比例進行比較，來衡量其死亡的時間，這就是碳-14的年代測定法。
核試驗導致的碳-14含量波動
在20世紀中期，我們環境中的碳-14含量出現了波動，因為當時核武器實驗都是在露天下進行的，核爆炸產生的碳-14會飄散到世界各個地方，放射性塵埃對大氣有很強的汙染，一開始科學家根本就想不到這些問題，估計也沒功夫想這些事。從那個年到過來的人，身體內碳-14含量也會增加。這就是現在核試驗轉到地下的原因。
上圖可以看到，在1963年，碳-14含量達到了峰值，在核試驗轉入地下以後，大氣層中的碳-14含量已經逐步恢復到了基線水平。
1200年以前地球上碳-14含量飆升之謎
很長一段時間，人們一直認為只有核反應、核試驗才會導致碳-14水平的激增。但科學家發現早在8世紀地球上的碳-14水平就出現過一次短暫的大幅飆升！8世紀？這是咋回事呢？
科學家通過觀察日本古代雪松的年輪，看到碳-14的濃度從770年開始上升，在780年達到頂峰，然後開始下降。
在8世紀是什麼導致了碳-14的飆升呢？我們首先想到的是：在地球附近一定出現了高能射線源，或者是什麼原因導致了大量的碳-14直接進入了地球，但是大多數可能都被排除了。
- 首先想到的是附近是否有超新星爆發？但隨著現代紅外、射電和x射線望遠鏡的出現，我們已經確定了銀河系所有的超新星殘骸，其歷史可以追溯到2000多年前。當時在地球附近沒有發生過超新星爆發，所以這個解釋行不通。
- 一顆彗星可能會帶著豐富的碳-14和正常數量的物質一起到達了地球。解釋峰值其實只需要增加大約18公斤的碳-14，但這需要一顆直徑接近100公里的彗星，比消滅恐龍的那個彗星還要大，這顯然不可能，因為我們現在還好好的。
- 雖然理論上太陽的超級耀斑可能是造成碳-14激增的原因，如果太陽出現異常人們很容易會觀察到，應該會有記載，但沒有證據表明當時有異常活躍的太陽耀斑或任何其他奇異的太陽活動。
其中最接近774年的盎格魯撒克遜編年史，記載到：那時的天空中出現了一個紅色十字架。
這會不會是某種能發出強烈宇宙射線的天文現象？也許是附近的假·超新星？黑洞噴流？目前人們普遍認為是宇宙中某種現象產生的高能伽馬射線暴影響了地球。
碳有三種自然同位素，其中碳-14具有放射性稍微特別一點，它存在於自然界中所有的生物體中，那麼問題來了，根據碳-14的半衰期5730年，地球上應該已經沒有碳-14了，那麼碳-14又是怎樣產生的？它又是如何跑進我們身體中的？怎樣根據碳-14測定年代？以及1200年前地球上碳-14水平的異常事件是咋回事？今天就說這些問題。
碳的三種自然同位素：碳-12、13、14
說到碳，我們第一個想到的就是地球上充滿多樣性的生命形式，我們所知的每一種生物都由四種基本元素構成：碳、氮、氧、氫。但是碳是最重要、也是最特別的元素，它是有機分子的基礎，是生命體的基石。
從鑽石到納米管再到DNA，碳對於構造最複雜的結構必不可少。地球上大部分的碳都來自於上一代恆星死亡時的超新星爆發，目前絕大多數以碳-12的形式存在，也就是原子核中有6箇中子。
在碳的總量中1.1%是以碳-13的形式存在，原子核中多了一箇中子。雖然碳-13也很穩定，但在恆星中碳-13形成的頻率要比碳-12低得多，所以碳-12不僅在地球上是碳的主要形式，而且在我們可觀察宇宙的任何地方都應該是這個樣子，這一點並不奇怪，因為走到哪物理定律都是一樣的，恆星也以同樣的方式聚變。
但還有另外一種形式的碳，也是我們今天的主角，雖然它的丰度相對來說很低很低，但是它很重要，也很有趣，絕對值得我們深入的討論。
它就是碳14，原子核中有8箇中子的碳原子，碳-14非常罕見而且原子核本身也不穩定會發生衰變，在地球上的碳總量中只有1 /萬億的碳原子是碳-14。數十億年前在恆星中形成的碳-14原子的半衰期為5700年，地球目前已經存在了45億年，所以古老的恆星賦予我們的碳-14早已衰變為氮原子了。那麼地球上現在的碳-14咋來的，彆著急，下文會說到。
碳-14原子為啥會衰變呢？
當一個原子的中子數與原子核中的質子數不匹配時，多出來的中子就覺得自己有點多餘，於是原子核通常會發生以下兩種方式的衰變：
- 一種是α衰變，即原子核發射一個氦-4原子核（兩個質子和兩個中子）
- 另一種是β衰變，即原子核中的一箇中子通過發射一個電子、一個反電子中微子轉變為質子。
所以在碳-14中多出來一箇中子，就會經歷β衰變，半衰期為5700年，衰變後的碳-14會變為氮原子，衰變過程中的重子數是守恆的。
上文說地球上一萬億分之一的碳是碳-14的形式，但地球上的碳含量驚人，基數很大，所以碳-14實際上也不少。在所有的有機生命體中，當然也包括我們自己的身體，甚至是海洋中的生物體內，都存在著少量、但含量穩定的碳-14。
那麼地球上的碳-14咋來的？或者說這種放射性的碳-14是咋跑到我們身體裡的？
簡單的回答就是：它來自宇宙。
從整個銀河系到整個宇宙，從恆星（包括我們的太陽）、脈衝星到黑洞等等，太空中充滿了高能粒子，即宇宙射線。通常情況下宇宙射線只包含質子，但少數情況下是一些較重的離子，甚至是不起眼、很輕很輕的電子。
我們先看一下什麼叫高能粒子！主要突出這個高能！
太陽輻射粒子的能量上限為幾兆電子伏（大約10^6電子伏），而宇宙射線的能量通常會達到TeV的範圍（大約10^12 eV與大型強子對撞機產生的能量相同)，甚至更高，最高可達4或5×10^19 eV。
通常從太陽發射出來的粒子由於能量不足並不是產生碳-14，但是來自太陽系以外能量在10^10 eV及以上的高能粒子，與地球高層大氣相撞時，就能產生巨大的核級聯反應，也就是連鎖反應。
想一下我們的強子對撞機是咋工作的，加速粒子讓其相撞，會產生大量的亞原子粒子。那麼比對撞機能量還高的宇宙射線，要是撞擊了氮原子核會怎樣？撞擊的能量會發生連鎖反應，大量的氮原子核會被擊碎，產生大量的（穩定的，不穩定的，準穩定的）亞原子粒子，其中也包括非常重要的自由中子。中子之所以說它重要，我們想一下碳-14是如何衰變為氮的。
如果碳-14能分解成氮-14和其他物質，那麼我們就能將氮-14和合適的物質結合來生成碳14。在這種情況下，合適的物質就是一箇中子，在宇宙射線撞擊高層大氣時會發生以下反應：
宇宙就是這樣給我們地球“送來”碳-14的。
碳-14一旦產生，它的行為會和其他碳的同位素一樣，很快與氧氣結合形成C¹⁴O₂，因為分子的形成和往後的化學反應都是在電子層面上發生的，已經和原子核沒有關係了，形成的C¹⁴O₂又會與大氣和海洋混合，植物吸收，動物呼吸，動物吃植物，所以C¹⁴O₂很容易進入活的有機體，其含量會達到一種平衡狀態。
據我們所知，在過去的幾千年裡，全世界的碳-14水平基本保持不變，產生和衰變的速率達到了平衡。在生物的生命週期中，所有的碳基生物都會以和大氣濃度同樣的比例吸收碳12、13和14，對於植物、動物、真菌和所有其他大大小小的生物來說，在生命的各個階段都是如此。
然而，當一個有機體死亡時，就不會與大自然在進行碳循環了，以前身體內殘留的碳-14原子會發生衰變。我們可以通過測量任何已死亡的生物體中碳14與碳12的比例，並將其與自然發生的比例進行比較，來衡量其死亡的時間，這就是碳-14的年代測定法。
核試驗導致的碳-14含量波動
在20世紀中期，我們環境中的碳-14含量出現了波動，因為當時核武器實驗都是在露天下進行的，核爆炸產生的碳-14會飄散到世界各個地方，放射性塵埃對大氣有很強的汙染，一開始科學家根本就想不到這些問題，估計也沒功夫想這些事。從那個年到過來的人，身體內碳-14含量也會增加。這就是現在核試驗轉到地下的原因。
上圖可以看到，在1963年，碳-14含量達到了峰值，在核試驗轉入地下以後，大氣層中的碳-14含量已經逐步恢復到了基線水平。
1200年以前地球上碳-14含量飆升之謎
很長一段時間，人們一直認為只有核反應、核試驗才會導致碳-14水平的激增。但科學家發現早在8世紀地球上的碳-14水平就出現過一次短暫的大幅飆升！8世紀？這是咋回事呢？
科學家通過觀察日本古代雪松的年輪，看到碳-14的濃度從770年開始上升，在780年達到頂峰，然後開始下降。
在8世紀是什麼導致了碳-14的飆升呢？我們首先想到的是：在地球附近一定出現了高能射線源，或者是什麼原因導致了大量的碳-14直接進入了地球，但是大多數可能都被排除了。
- 首先想到的是附近是否有超新星爆發？但隨著現代紅外、射電和x射線望遠鏡的出現，我們已經確定了銀河系所有的超新星殘骸，其歷史可以追溯到2000多年前。當時在地球附近沒有發生過超新星爆發，所以這個解釋行不通。
- 一顆彗星可能會帶著豐富的碳-14和正常數量的物質一起到達了地球。解釋峰值其實只需要增加大約18公斤的碳-14，但這需要一顆直徑接近100公里的彗星，比消滅恐龍的那個彗星還要大，這顯然不可能，因為我們現在還好好的。
- 雖然理論上太陽的超級耀斑可能是造成碳-14激增的原因，如果太陽出現異常人們很容易會觀察到，應該會有記載，但沒有證據表明當時有異常活躍的太陽耀斑或任何其他奇異的太陽活動。
其中最接近774年的盎格魯撒克遜編年史，記載到：那時的天空中出現了一個紅色十字架。
這會不會是某種能發出強烈宇宙射線的天文現象？也許是附近的假·超新星？黑洞噴流？目前人們普遍認為是宇宙中某種現象產生的高能伽馬射線暴影響了地球。
總結：知道的越多，謎題就越多
自從我們有能力觀察天空以來，我們從來沒有看到過宇宙輻射水平的增加導致了碳-14水平的異常。
我們也相信在很短的時間內，宇宙輻射水平會出現異常，但我們現在還從未見過或記錄過類似的情況。這種現象什麼時候會再次發生呢？
碳有三種自然同位素，其中碳-14具有放射性稍微特別一點，它存在於自然界中所有的生物體中，那麼問題來了，根據碳-14的半衰期5730年，地球上應該已經沒有碳-14了，那麼碳-14又是怎樣產生的？它又是如何跑進我們身體中的？怎樣根據碳-14測定年代？以及1200年前地球上碳-14水平的異常事件是咋回事？今天就說這些問題。
碳的三種自然同位素：碳-12、13、14
說到碳，我們第一個想到的就是地球上充滿多樣性的生命形式，我們所知的每一種生物都由四種基本元素構成：碳、氮、氧、氫。但是碳是最重要、也是最特別的元素，它是有機分子的基礎，是生命體的基石。
從鑽石到納米管再到DNA，碳對於構造最複雜的結構必不可少。地球上大部分的碳都來自於上一代恆星死亡時的超新星爆發，目前絕大多數以碳-12的形式存在，也就是原子核中有6箇中子。
在碳的總量中1.1%是以碳-13的形式存在，原子核中多了一箇中子。雖然碳-13也很穩定，但在恆星中碳-13形成的頻率要比碳-12低得多，所以碳-12不僅在地球上是碳的主要形式，而且在我們可觀察宇宙的任何地方都應該是這個樣子，這一點並不奇怪，因為走到哪物理定律都是一樣的，恆星也以同樣的方式聚變。
但還有另外一種形式的碳，也是我們今天的主角，雖然它的丰度相對來說很低很低，但是它很重要，也很有趣，絕對值得我們深入的討論。
它就是碳14，原子核中有8箇中子的碳原子，碳-14非常罕見而且原子核本身也不穩定會發生衰變，在地球上的碳總量中只有1 /萬億的碳原子是碳-14。數十億年前在恆星中形成的碳-14原子的半衰期為5700年，地球目前已經存在了45億年，所以古老的恆星賦予我們的碳-14早已衰變為氮原子了。那麼地球上現在的碳-14咋來的，彆著急，下文會說到。
碳-14原子為啥會衰變呢？
當一個原子的中子數與原子核中的質子數不匹配時，多出來的中子就覺得自己有點多餘，於是原子核通常會發生以下兩種方式的衰變：
- 一種是α衰變，即原子核發射一個氦-4原子核（兩個質子和兩個中子）
- 另一種是β衰變，即原子核中的一箇中子通過發射一個電子、一個反電子中微子轉變為質子。
所以在碳-14中多出來一箇中子，就會經歷β衰變，半衰期為5700年，衰變後的碳-14會變為氮原子，衰變過程中的重子數是守恆的。
上文說地球上一萬億分之一的碳是碳-14的形式，但地球上的碳含量驚人，基數很大，所以碳-14實際上也不少。在所有的有機生命體中，當然也包括我們自己的身體，甚至是海洋中的生物體內，都存在著少量、但含量穩定的碳-14。
那麼地球上的碳-14咋來的？或者說這種放射性的碳-14是咋跑到我們身體裡的？
簡單的回答就是：它來自宇宙。
從整個銀河系到整個宇宙，從恆星（包括我們的太陽）、脈衝星到黑洞等等，太空中充滿了高能粒子，即宇宙射線。通常情況下宇宙射線只包含質子，但少數情況下是一些較重的離子，甚至是不起眼、很輕很輕的電子。
我們先看一下什麼叫高能粒子！主要突出這個高能！
太陽輻射粒子的能量上限為幾兆電子伏（大約10^6電子伏），而宇宙射線的能量通常會達到TeV的範圍（大約10^12 eV與大型強子對撞機產生的能量相同)，甚至更高，最高可達4或5×10^19 eV。
通常從太陽發射出來的粒子由於能量不足並不是產生碳-14，但是來自太陽系以外能量在10^10 eV及以上的高能粒子，與地球高層大氣相撞時，就能產生巨大的核級聯反應，也就是連鎖反應。
想一下我們的強子對撞機是咋工作的，加速粒子讓其相撞，會產生大量的亞原子粒子。那麼比對撞機能量還高的宇宙射線，要是撞擊了氮原子核會怎樣？撞擊的能量會發生連鎖反應，大量的氮原子核會被擊碎，產生大量的（穩定的，不穩定的，準穩定的）亞原子粒子，其中也包括非常重要的自由中子。中子之所以說它重要，我們想一下碳-14是如何衰變為氮的。
如果碳-14能分解成氮-14和其他物質，那麼我們就能將氮-14和合適的物質結合來生成碳14。在這種情況下，合適的物質就是一箇中子，在宇宙射線撞擊高層大氣時會發生以下反應：
宇宙就是這樣給我們地球“送來”碳-14的。
碳-14一旦產生，它的行為會和其他碳的同位素一樣，很快與氧氣結合形成C¹⁴O₂，因為分子的形成和往後的化學反應都是在電子層面上發生的，已經和原子核沒有關係了，形成的C¹⁴O₂又會與大氣和海洋混合，植物吸收，動物呼吸，動物吃植物，所以C¹⁴O₂很容易進入活的有機體，其含量會達到一種平衡狀態。
據我們所知，在過去的幾千年裡，全世界的碳-14水平基本保持不變，產生和衰變的速率達到了平衡。在生物的生命週期中，所有的碳基生物都會以和大氣濃度同樣的比例吸收碳12、13和14，對於植物、動物、真菌和所有其他大大小小的生物來說，在生命的各個階段都是如此。
然而，當一個有機體死亡時，就不會與大自然在進行碳循環了，以前身體內殘留的碳-14原子會發生衰變。我們可以通過測量任何已死亡的生物體中碳14與碳12的比例，並將其與自然發生的比例進行比較，來衡量其死亡的時間，這就是碳-14的年代測定法。
核試驗導致的碳-14含量波動
在20世紀中期，我們環境中的碳-14含量出現了波動，因為當時核武器實驗都是在露天下進行的，核爆炸產生的碳-14會飄散到世界各個地方，放射性塵埃對大氣有很強的汙染，一開始科學家根本就想不到這些問題，估計也沒功夫想這些事。從那個年到過來的人，身體內碳-14含量也會增加。這就是現在核試驗轉到地下的原因。
上圖可以看到，在1963年，碳-14含量達到了峰值，在核試驗轉入地下以後，大氣層中的碳-14含量已經逐步恢復到了基線水平。
1200年以前地球上碳-14含量飆升之謎
很長一段時間，人們一直認為只有核反應、核試驗才會導致碳-14水平的激增。但科學家發現早在8世紀地球上的碳-14水平就出現過一次短暫的大幅飆升！8世紀？這是咋回事呢？
科學家通過觀察日本古代雪松的年輪，看到碳-14的濃度從770年開始上升，在780年達到頂峰，然後開始下降。
在8世紀是什麼導致了碳-14的飆升呢？我們首先想到的是：在地球附近一定出現了高能射線源，或者是什麼原因導致了大量的碳-14直接進入了地球，但是大多數可能都被排除了。
- 首先想到的是附近是否有超新星爆發？但隨著現代紅外、射電和x射線望遠鏡的出現，我們已經確定了銀河系所有的超新星殘骸，其歷史可以追溯到2000多年前。當時在地球附近沒有發生過超新星爆發，所以這個解釋行不通。
- 一顆彗星可能會帶著豐富的碳-14和正常數量的物質一起到達了地球。解釋峰值其實只需要增加大約18公斤的碳-14，但這需要一顆直徑接近100公里的彗星，比消滅恐龍的那個彗星還要大，這顯然不可能，因為我們現在還好好的。
- 雖然理論上太陽的超級耀斑可能是造成碳-14激增的原因，如果太陽出現異常人們很容易會觀察到，應該會有記載，但沒有證據表明當時有異常活躍的太陽耀斑或任何其他奇異的太陽活動。
其中最接近774年的盎格魯撒克遜編年史，記載到：那時的天空中出現了一個紅色十字架。
這會不會是某種能發出強烈宇宙射線的天文現象？也許是附近的假·超新星？黑洞噴流？目前人們普遍認為是宇宙中某種現象產生的高能伽馬射線暴影響了地球。
總結：知道的越多，謎題就越多
自從我們有能力觀察天空以來，我們從來沒有看到過宇宙輻射水平的增加導致了碳-14水平的異常。
我們也相信在很短的時間內，宇宙輻射水平會出現異常，但我們現在還從未見過或記錄過類似的情況。這種現象什麼時候會再次發生呢？
有時候，科學就是這樣：我們學得越多，理解得越多，出現的未解之謎就越多。我們現在知道了碳-14從何而來，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，我們很可能要等待下一次發生這種異常，才能解開謎題。