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第1章四百萬億分之一的精度


在扶桑人的質疑、驚訝和不可思議中,第一次鑒定試驗開始了。

所有人都先換好了衣服,經過消洗後,進入一間無塵室。

進入無塵室後,大部分人依然隻能隔着一道玻璃,在外面觀望,隻有幾個博物館工作人員,和取樣人員,能夠走到最裏間的國寶儲存室。

顧玩和石主任、甯主任(科大考古系主任)坐在一旁談笑自若,隔着防彈玻璃觀看京都大學的山下教授,帶着學生們取樣。

東大的堺教授,則在一邊翻看中方原先的實驗記錄,确保一會兒不會浪費鑒定樣本。

扶桑人這邊,對于14同位素豐度鑒定的頭号專家,就是這位堺教授了。如果他不點頭,中方是無法拿到“漢倭國王印”上的出土污漬樣本,來進行實驗操作的。

隻見山下教授帶着學生,先用鐳射光譜儀、隔着内部充氦的玻璃罩,掃描了一遍“漢倭國王印”。

那是一枚隻有23厘米見方大小的純金印玺,加上博物館裏習慣了常年保持低照度環境、減少藏品的年曝光積分量,所以在外間的人,幾乎很難看清楚操作。

事實上,黃金制品是不怕曝光的。博物館減少曝光,主要是爲了保護字畫一類容易老化、降解的有機物。

不過,黃金制品外面沾染的來自于出土年份的污漬、其他附着物當中,難免有害怕曝光的物質,所以保護嚴密一點總歸是小心無大錯了。

而且,在14豐度鑒定實驗中,關鍵就是這些來自于出土地層的污漬、附着物。

因爲金印理論上是au單質。就算古代工藝不夠完美,有些許碳元素以單質形态混雜在金印裏,也不可能爲了取樣而切割、破壞金印本身,所以要取得碳元素較多的樣本,就要從出土地層污漬下手。

(印章的話還有一個優勢,那就是沾染的印泥裏有含碳元素。古代紅色印泥除了含有朱砂成分外,還有添加一定量的植物油/植物香精,裏面含有纖維素成分,這部分可以作爲14同位素豐度的鑒定材料。)

山下教授先确定金印表面含碳豐富的污漬主要有那幾片,然後一番操作猛如虎,總而言之就是把樣本弄了下來,放在一根絕對清潔、不含碳的取樣容器裏。又經過一番操作,把碳原子團萃取出來。

這些具體實驗過程,忙了大約一個多小時,就不多贅述了——因爲這裏面沒有什麽新鮮的,在傳統的離心法14同位素豐度鑒定中,到這一步爲止,操作也都是一樣的。

離心法和離子加速質譜法的區别,在後續環節才會體現出來。

“石桑,這是從印泥部分萃取出來的碳原子團,後續的操作,就看你們了。”山下教授說着,就把那個特殊容器遞給中方人員。

裏面的東西,估計才幾個毫克分量,應該都是從印泥裏萃取出來的古代植物油和纖維中的碳。

石副主任卻沒敢接,隻是對顧玩做了個手勢。顧玩就當仁不讓接過來,然後在石副主任和其他助手的幫助下,開始操作as。

儀器内部的活動,宏觀上當然是看不出來的,總而言之,過了半個多小時後,顧玩就得到了一份輸出數據,然後再在專門的軟件上計算了一番。

“根據測定,樣本中14與12的比例,約爲1萬5千2百億分之一,與1萬2千億分之一的标準比,約爲033個半衰周期。因此,可以初步判定,該樣本上的印泥的年份,距今約1940年,正負誤差20年。”

顧玩先簡潔地說了一下結論。

外行人或許聽了有些懵逼,但在場的都是大學教授,而且都是考古、原子物理這些對口專業的,自然是一聽就懂。

剩下的,隻是對測量數據精度的懷疑。至于數據得到後的換算環節,大家毫無疑問,所有人都對公式了然于胸。

衆所周知,任何生命體在存活期間,構成其身體的有機物中的碳元素,都是會不斷新陳代謝的,所以碳元素中12和14的比例,應該跟自然界12和14的平均比例一樣,大約是1萬2千億倍。

也就是假設你身上一塊肉裏,一共有1萬2千億零1個碳原子,那麽其中1萬2千億個是12,隻有1個是14。

而生命體死後,就不會再新陳代謝補充碳元素了,所以化石,埋藏木/骨裏的14隻會越來越少。

根據高中化學知識,14的半衰期是5730年,也就是過5730年後,死體内的14會減少一半,12和14的比例,會變成2萬4千億倍。11460年後,會減少到初始态的四分之一,也就是4萬千億倍……

顧玩這套離子加速質譜儀,年代測定精度可以短到三十年左右,這已經相當于自然半衰期的5730年,除以2的次方左右。因此,其能夠測定出來的14豐度變化,也應該大緻相當于2倍的開八次根号。

比如,當被測物年代距今有1910年,14濃度應該隻有新鮮狀态的794,距今1940年的時候,14濃度應該隻有新鮮狀态的791。

考慮到自然狀态下,14就隻有12的1萬2千億分之一,所以他這個儀器基本上可以達到“每400萬億個碳原子裏,少了一個14原子,都能測出來”的程度。

别覺得誇張,地球上21世紀那些離子加速器質譜儀,也都是可以測到那麽精确的。

外行人或許覺得難以想象,但現代人類的物理科技,真的已經發達到這種程度了。

……

京大考古系的山下教授對物理畢竟不是太精通,所以他隻是知道上述原理和算法。

但對于數據本身的測量是否可靠,還要靠東大高能物理系的堺教授定奪。

如果這個測量本身可靠,那就意味着,能夠證明“漢倭國王印”是1940年前之前的東西了(正負誤差二十年)。

堺俗人看着數據報表,摸着下巴思索了一會兒,問道:

“對于從原混合碳原子團中、分離出來的12原子團中的原子個數,我沒什麽異議。畢竟數量較大,可以用質量稱量法直接稱量,這一步,跟離心法的驗證是一樣的。

可是,對于分離出來的14原子團裏,究竟有多少個14原子,你是怎麽測算數量的呢?要知道,14原子個數稀少,稍微差幾個,就會導緻誤差率達到額定阈值之外。而且,你的新方法,是如何保證分離後的12原子團裏,一點14都沒有的?會不會還有黏連在一起,沒分離出來的?”

顧玩笑了,他立刻拿出一些實驗記錄過程的儀器内照片——當然,所謂的“照片”其實隻是俗稱,因爲沒有傳統光學攝像儀器和技術,能精确到拍攝原子層面的東西。

所以,那玩意兒事實上是類似于一些捕捉光栅記錄的東西,非物理專業的看官,隻要知道這玩意兒能記錄實驗過程中。原子流是如何通過加速管和偏轉器的就行。

“這是通過法拉第筒和偏轉器的捕捉光栅記錄。我們這套儀器,加了100萬伏的端電壓,足以把碳原子團中所有原子的表層電子完全剝離,并且按照洛倫茲力産生的加速度不同,把原子團打散。所以第二個問題,您看完這部分數據後,應該就不會有疑問了……”

顧玩說着,還指點堺俗人教授如何看相關記錄。

花了大約十幾分鍾,把這個點解釋清楚了。

然後,他開始回答對方的第一個質疑點,也就是“他的儀器是如何精确稱量14原子個數的”。

畢竟,12原子可以按照“1摩爾(ole)碳12原子重12克”的算法來稱量,因爲多,重,宏觀稱就能稱出來的。

(注:1摩爾原子是602x10的23次方個。多廢話一句,讓高中沒學化學的同學閱讀起來友好一點。

另外,上一句所稱的“宏觀”也就是幾毫克甚至幾微克。因爲1微克就有10的15次方個碳原子了,也就是幾千萬億個,對于同位素鑒定而言已經足夠“宏觀”)

但是,14原子,比12原子少了至少一萬多億倍,那就很難稱重了。可能一次實驗搜集到的14原子個數,才幾萬億分之一毫克。

傳統離心法的時候,最後稱量14原子的個數,就不是非常精确,總有那麽相當于總數至少百分之幾的誤差,也就導緻年代測定至少誤差幾百年。

“所以,我這套儀器,也沒有用離心法慣用的質量稱量法,來計算14原子的個數——離心法是用離心力來分離原子的,我是用洛倫茲力來分離原子的。既然如此,一事不煩二主,我最終是吧所有的14離子,進行總帶電電荷測量。

一個碳離子帶4個正電荷,當電荷平衡時,算出懸浮負極有多少電子形成的電勢差,不就能算出這團碳離子裏的原子個數了麽?而微觀狀态下測量電勢差的精度,要遠遠高于稱重量的精度。”

“對啊……我怎麽沒想到……”堺俗人教授失聲驚呼。

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