碳十四定年（放射性碳定年）carbon-14 dating, C¹⁴ dating, radiocarbon dating

　　自然界中碳有3種同位素：99%的碳為原子量12的碳十二（¹²C），1%為原子量13的碳十三（¹³C）；原子量為十四的碳十四（¹⁴C）非常微量，僅約為兆分之1.2（即1.2×10^-12）。碳十二與碳十三為穩定同位素；碳十四具有放射性，故又稱為放射性碳，會進行貝他（β）衰變，蛻變為氮十四（¹⁴N），半衰期為5730+40年。芝加哥大學的 W. F. Libby教授因始創碳十四定年法而獲得1960年諾貝爾化學獎。

　　具有極高能量的宇宙射線粒子，撞擊地球大氣外層的原子核產生中子，中子再撞擊大氣的氮十四（¹⁴N）原子，引起核反應而生成碳十四。在大氣層高空形成的碳十四原子不可能單獨存在很久，會很快氧化成二氧化碳，和大氣均勻混合，參加自然界碳的交換循環活動。

　　植物經由光合作用、吸收大氣圈二氧化碳，組成本身組織；動物又依植物為生，因此動、植物組織中的碳直接或間接來自大氣的二氧化碳。除了生物圈外，隨著二氧化碳溶於水中（雨、雪、河水、地下水、冰川與海洋），碳十四也散布於地球的水圈中。經由生物殘骸掩埋與水中碳酸鹽類的沉澱，含碳十四的沉積物進入地層。因此，碳十四在地表幾乎是無所不在，而其量測與定年的應用領域也就非常廣泛。

　　近數十萬年來地球大氣層碳十四與非放射性碳的比例大體上可視為固定。生物活著的時候，會藉著生理作用與大氣直接或間接不斷作碳同位素的交換，因此衰變掉的碳十四可經常獲得補充，達到與大氣平衡。然而當生物死亡而停止與大氣碳的交換，生物遺骸就成一封閉系統，遺骸中的碳十四含量就隨著時間而逐漸減少。利用這一點，以未受人類大量化石燃料污染的「現代碳」的碳十四濃度（或放射性強度）作為起始的碳十四濃度標準，與欲測樣本中殘餘的碳十四濃度相比較，可推算出生物死亡或樣本與大氣碳十四停止交換至今所經過的年代。

　　實驗室所發表出來的年代數據都會標示出年代誤差（精度），這是放射線計數統計上的標準誤差。另外，因為大氣的二氧化碳一旦形成當年的木質纖維，就固定而不再交換。根據樹木年輪萃取的木質纖維素碳十四測定，大氣二氧化碳中的碳十四含量並不如最早預期的沒有變化，其偏差對於近一萬年內的樣本，最大會造成約10%（即約八百年）的差異。學者因此依樹木年輪年代與其它材料的已知年代，以及它們的碳十四年代，做出碳十四年代校正表及校正曲線，得到碳十四測年樣本的實際年齡。

　　碳十四在現代自然碳中只占1.2×10^-12，幾萬年的樣本中含量還要減少千倍。¹⁴C放射的β射線能量在空氣中的平均射程只有幾厘米。因此要精確測量如此少又微弱的放射線，技術比較複雜，必須提高探測效率、去除雜質及降低背景干擾。

　　¹⁴C的常規分析方法，是偵測單位重量的樣本碳在單位時間內由碳十四放射的β射線次數。固態碳計數法是最早使用的方法，但因有許多缺點，很快被氣體正比計數法（gas proportional counting，簡稱GPC法）及液體閃爍計數法（liquid scintillation counting，簡稱LSC法）所取代。這兩種常規方法所需的樣本碳一般為0.1～4公克；所需計數時間一般為1至2天，視年代與精度而定。最佳精度可達約2‰，相當於年代誤差約16年。最高可測年限達六萬年。國科會貴重儀器中心1988年在臺大地質系設立之碳-14定年實驗室，採用液體閃爍計數法，正常運作至今。另外，近二十多年來發展出的加速器質譜儀法（accelerator mass spectrometry，簡稱AMS），直接測定碳十四原子數，可在一小時內的計數時間精確測定0.2至2毫克的極微量樣本碳年代，使得碳十四定年的應用更大幅擴展。此儀器雖仍昂貴，但已更為精巧、逐漸普及而可逐漸取代常規方法。臺大地質系預計於2012至2013年建置完成AMS碳十四定年實驗室。