放射性炭素年代測定

放射性炭素年代測定（ほうしゃせいたんそねんだいそくてい; radiocarbon dating）は、自然の生物圏内において放射性同位体である炭素14の存在比率が１兆個につき１個のレベルで一定に保たれていることを基礎とする年代測定である。

宇宙線に含まれる陽子は高いエネルギーを持ち、太陽系外、場合によっては銀河系外から飛来して大気圏上層で核衝突を起こし、その一部の衝突から中性子が放出されて、これが窒素原子核と衝突することで、炭素14という放射性同位体を年間7.5キログラム生成する。自然の生物圏内では炭素14の存在比率が一定であり、動植物の内部における炭素14の存在比率は、死ぬまで変わらないが、死後は新しい炭素が補給されなくなるため、存在比率が下がり始める。この性質と炭素14の半減期が5700年であることから年代測定が可能となる。

C14年代測定（シーじゅうよんねんだいそくてい、シーフォーティーンねんだいそくてい）に同じ。単に炭素年代測定、炭素14法、C14法などともいう。

概要

炭素14は、約5,730年の半減期で減じていく性質をもっているため、これを利用して試料中の炭素同位体12/14比から年代を推定することができる。測定限界が元の約1/1000である場合、約6万年前が炭素14法の理論的限界になる（実際の測定では、β線測定法では3～4万年程度、AMS法では4～5万年程度が測定限界）。放射性炭素年代は、BP (Before Present　もしくはBefore Physics) で表記されるが、これは大気圏内核実験による放射線の影響をあまり受けていない1950年を起点として、何年前と実年代が表記される。

この測定原理を1947年に発見したシカゴ大学のウィラード・リビー (Willard Frank Libby) は、1960年にノーベル化学賞を受けた。日本では、1952年頃から学習院大学と理化学研究所で研究がスタートした。

炭素14は、大気上層で一次宇宙線によって生成された二次宇宙線に含まれる中性子と大気中の窒素から生じ、生成後ただちに酸素と結合し二酸化炭素になり、大気中に拡散する。

n + ¹⁴N → ¹⁴C + ¹H

炭素14の放射性崩壊（壊変）は常に一定の速度で進行しているが、大気上層からの供給速度と概ね釣り合っているので、大気中の炭素14量はほぼ一定と見なされる（厳密にいうと一定では無い。後述）。

二酸化炭素中の炭素14は、光合成によって植物に取り込まれ、食物連鎖で動物にも広まっていく。生物の細胞に定着した炭素14は、光合成で作られた時点から減じていくと見なせる（光合成で取り込まれる二酸化炭素は大気中のほぼ一定の炭素14量を反映しているが、光合成後は炭素14が新たに付加されないため）。つまり、生物の遺体から試料を得て測定した場合、その細胞に利用された炭素はいつ光合成が行われたかが分かる事になる。樹木の場合は、内側の年輪が古く、外側の年輪が新しく測定される。

ただし、肉食動物の場合、餌の動物が取り込んだ炭素の由来が問題となる。光合成があまり行われない南極のように、非常に古い炭素が食物連鎖で何度もリサイクルされている例もある。 また、海洋生物由来の炭素を陸上動物が摂取している場合、海洋中の二酸化炭素は一般に大気よりも数百年古い測定値を出す（海洋リザーバ効果）ことと、深海に蓄積された古い炭素が影響を与える場合もあるため、注意を要する。

2つの測定法

ベータ線計測法

最初に開発された測定法は、ベータ線計測法といい、炭素14が電子と反電子ニュートリノを放出して窒素14（普通の窒素）に壊変するときに放射されるベータ線を検知して数える。現代の炭素1gでも4～5秒に1個しか壊れないので、計測には時間がかかり、試料もグラム単位で必要とされる。

${}^{14}{\hbox{C}}\;\to \;^{14}{\hbox{N}}\;+\;{e^{-}}+{\bar {\nu }}_{e}$

AMS 法

1970年代末に、加速器で炭素14を直接数えるAMS（Accelerator Mass Spectrometry = 加速器質量分析計）法が提案され、必要な試料量（1mg程度）、測定時間（30分～1時間程度）共に大幅に改善され、高精度化・高効率化になってきた。また約6万年前まで測定可能となった。装置の小型化に伴い多くの施設で入手可能なレベルになってきた。

年代較正

大気中の炭素14量は、宇宙線の変動や、海洋に蓄積された炭素放出事件を反映して変動してきた。そのため、計測結果に誤差が生じている。現在では年輪年代測定との照合により、およそ1万年を少し遡る時点まで放射性炭素年代値 (BP) と実際の年代の対応表が作られている。年輪年代の及ばない古い年代は、およそ24,000年前までは、サンゴのU/Th（ウラン / トリウム）年代と照合されている。

較正曲線を用いて較正された年代値、つまり、炭素14年代を実際の年代に較正（基準に照らして正す）したという意味であり、西暦1950年を起点とした年数には calibrated（較正済み）を意味する「cal」をつけて「calBP」で表される。あるいは西暦紀元を基準とする場合は「calBC」ないし「calAD」と表す。較正年代は、暦年代 (Calendar year) とも呼ばれ、「実際の年代」という意味である。ちなみに、炭素14年代は「¹⁴C BP」となる。

実例

日本で最初に測定されたのは、1950年・1955年に調査された夏島貝塚の縄文時代早期の層から出土したカキ殻と木炭であった。1959年3月と6月に、ミシガン大学から杉原荘介に、炭素14年年代法による年代値は、貝殻BP9450±400と木炭BP9240±500であったことが報告された。この測定の結果、縄文時代早期に9500年前という年代がはじめて示され、縄文土器が世界最古の土器文化である可能性が指摘される一方、日本の考古学者の多くを驚愕させた。また、測定を依頼した芹沢長介らと、大陸で出土した遺物の年代から3000年前と主張する山内清男との間で論争が起きている。

青森県東津軽郡外ヶ浜町の大平山元I遺跡の縄文時代草創期の土器製作時期が、通説より4500年も古い（早い）1万6500年前と1999年4月に発表された。この実年代は、ワシントン大学のスタイヴァー;Stuiverらが炭素14年代を年輪年代や珊瑚年代を使って暦年に換算する国際較正曲線(INTCAL 98)を使ったものである。また、弥生時代の開始期は通説では紀元前5～紀元前4世紀ごろであったが、2003年3月の国立歴史民俗博物館の発表では約500年古い（早い）約3000年前（紀元前10世紀終頃、つまり、九州北部の弥生時代早期が前949年～915年から、前期が前810年頃から、中期が前350年頃から、それぞれ始まった。）に遡る結果が出た。2003年5月の日本考古学協会総会での報告は、衝撃、当惑、賛成、反発などとともに拒否、嘲笑などに覆われた。しかし、その後も試料収集と測定は進められ、その成果が期待されている。

系統誤差

コンタミネーション(汚染)

試料の採取を行う際、他の年代のものが混入する可能性がある。

汚染除去作業内容が、測定精度を左右している。

試料そのものが汚染されている

特に炭素年代測定でいわれているのが、古い炭素を含む化石燃料を使った自動車の排気ガスを吸収した植物が、本来あり得ない時代を示す事があることである。状況判断は機械的に出来ず、関係者の恣意、バイアスが入る可能性を排除できない。

一万年以上前の部分は氷河期が終わって氷が溶けだし、氷に含まれた古い炭酸ガスが放出されたり、その水が空気中の炭酸ガスを吸収したりしていた筈で、その年代が特定できる事はない。 さらに、放射性炭素年代の整合性を見極める為に年輪年代とのクロスチェックが必要であるが、年輪を見る為の木材は5000年も経つと炭化してしまうから、5000年以上前の木材による年輪年代もチェックは不可能である。したがって炭素年代法で一万年以上前、一万五千年とか一万六千年とか言っても信用する事が出来ない値と言う事になる。 歴博が国際標準校正表を使って弥生時代BC1000年開始を打ち上げた後、箸墓の年代は国際標準校正曲線で測定すると古い値が出るからこの付近の年代を出すには日本独自の校正曲線が必要と言いだした。 一般に炭素年代、特に土器に付着した煤で測定するとかなり古い値を出す事が多い。煤だけでなく、日本の海に囲まれた地勢と言うのも放射性炭素の濃度に影響を与えていると思われる。海は炭酸ガスを吸収し、普通の炭素よりも重い放射性炭素を良く吸収するから海の近くでは放射性炭素も薄くなる。日本では炭素年代法で測定すると古い値がでやすいのである。このような事を考慮して年代を考えるべきであろう。

関連項目

• 放射年代測定
• 考古学

参考文献

• 歴博フォーラム『弥生時代はどう変わるか－炭素14年代と新しい古代像を求めて－』広瀬和雄編　学生社　2007年3月　初版　ISBN 978-4-311-30067-7
• ウェード・アリソン『放射能と理性-なぜ「100ミリシーベルト」なのか』徳間書店、2011年。ISBN 978-4-19-863218-2。 

外部リンク

• 放射性炭素（炭素14）で年代を測る
• 学習院大学年代測定室
• 名古屋大学年代測定総合研究センター