Войти
| Общие | |
|---|---|
| Символ | C |
| Имена | углерод-14, C-14, радиоуглерод |
| Протоны | 6 |
| Нейтроны | 8 |
| Данные о нуклидах | |
| Естественное содержание | 1 часть на триллион |
| Период полураспада | 5730 ± 40 лет |
| Масса изотопа | 14,003241 u |
| Спин | 0+ |
| Режимы распада | |
| Режим распада | Энергия распада (МэВ ) |
| Бета | 0,156476 |
| Изотопы углерода. Полная таблица нуклидов | |
Углерод-14 (C), или радиоуглерод, представляет собой радиоактивный изотоп из углерода с атомное ядро , содержащее 6 протонов и 8 нейтронов. Его присутствие в органических материалах лежит в основе метода радиоуглеродного датирования, впервые примененного Уиллард Либби и его коллеги (1949) датируют археологические, геологические и гидрогеологические образцы. Углерод-14 был обнаружен 27 февраля 1940 года Мартином Каменом и Сэмом Рубеном в Радиационная лаборатория Калифорнийского университета ораторское искусство в Беркли, Калифорния. Его существование было предположено Францем Кури в 1934 году.
На Земле есть три встречающихся в природе изотопа углерода: углерод-12, который составляет 99% всего углерода на Земле; углерод-13, что составляет 1%; и углерод-14, который присутствует в следовых количествах, составляя примерно 1 или 1,5 атома на 10 атомов углерода в атмосфере. Углерод-12 и углерод-13 оба стабильны, тогда как углерод-14 нестабилен и имеет период полураспада, равный 5730 ± 40 лет. Углерод-14 распадается на азот-14 через бета-распад. Грамм углерода, содержащий 1 атом углерода-14 на 10 атомов, будет испускать ~ 0,2 бета-частицы в секунду. Основным естественным источником углерода-14 на Земле является действие космических лучей на азот в атмосфере, и поэтому это космогенный нуклид. Однако ядерные испытания на открытом воздухе в период с 1955 по 1980 год способствовали этому.
Различные изотопы углерода существенно не различаются по своим химическим свойствам. Это сходство используется в химических и биологических исследованиях в методе, называемом углеродной маркировкой : атомы углерода-14 могут использоваться для замены нерадиоактивного углерода, чтобы отслеживать химические и биохимические реакции с участием атомов углерода из любого данного органического вещества. соединение.
Углерод-14 подвергается радиоактивному бета-распаду :
, испуская электрон и электронным антинейтрино, один из нейтронов в атоме углерода-14 распадается на протон, а углерод-14 (период полураспада 5700 ± 40 лет) распадается на стабильный (нерадиоактивный) изотоп азот-14.
Испускаемые бета-частицы имеют максимальную энергию 156 кэВ, а их средневзвешенная энергия составляет 49 кэВ. Это относительно низкие энергии; максимальное пройденное расстояние оценивается в 22 см в воздухе и 0,27 мм в тканях тела. Доля излучения, прошедшего через слой омертвевшей кожи, оценивается в 0,11. Небольшие количества углерода-14 нелегко обнаружить с помощью типичных детекторов Гейгера – Мюллера (G-M) ; по оценкам, детекторы G-M обычно не обнаруживают загрязнения менее 100 000 дезинтеграций в минуту (0,05 мкКи). Жидкостный сцинтилляционный счет является предпочтительным методом. Эффективность счета G-M оценивается в 3%. Слой половинного расстояния в воде составляет 0,05 мм.
Радиоуглеродное датирование - это метод радиометрического датирования, который использует (C) для определения возраста углеродистые материалы возрастом примерно до 60 000 лет. Этот метод был разработан Уиллардом Либби и его коллегами в 1949 году, когда он работал профессором в Университете Чикаго. Либби подсчитал, что радиоактивность обменного углерода-14 будет примерно 14 распадов в минуту (dpm) на грамм чистого углерода, и это все еще используется в качестве активности современного стандарта радиоуглерода. В 1960 году за эту работу Либби была присуждена Нобелевская премия по химии.
Одним из частых применений этого метода является датирование органических остатков археологических раскопок. Растения фиксируют атмосферный углерод во время фотосинтеза, поэтому уровень C в растениях и животных, когда они умирают, приблизительно равен уровню C в атмосфере в то время. Однако после этого она уменьшается в результате радиоактивного распада, что позволяет оценить дату смерти или фиксации. Начальный уровень C для расчета можно либо оценить, либо напрямую сравнить с известными годовыми данными из данных годичных колец (дендрохронология ) вплоть до 10000 лет назад (с использованием перекрывающихся данных из реальных и мертвые деревья в данной области), или из пещерных отложений (speleothems ), примерно за 45 000 лет до настоящего времени. Расчет или (точнее) прямое сравнение уровней углерода-14 в образце с уровнями углерода-14 в кольцах деревьев или пещерах известного возраста, а затем дает определение возраста образца древесины или животных с момента образования. Радиоуглерод также используется для обнаружения нарушений в естественных экосистемах; например, в ландшафтах торфяников радиоуглерод может указывать на то, что углерод, который ранее хранился в органических почвах, высвобождается из-за расчистки земель или изменения климата.
1: Образование углерода-14. 2: Распад углерода-14. 3: Уравнение «равенства» для живых организмов, а неравное - для мертвых организмов, в которых затем C-14 распадается (см. 2). Углерод-14 производится в верхних слоях тропосферы и стратосферы с помощью тепловых нейтронов поглощается атомами азота. Когда космические лучи входят в атмосферу, они претерпевают различные преобразования, в том числе образование нейтронов. Полученные нейтроны (n) участвуют в следующей реакции np :
Наибольшая скорость образования углерода-14 происходит на высотах от 9 до 15 км ( От 30 000 до 49 000 футов) и на высоких геомагнитных широтах.
Скорость образования углерода можно смоделировать, получив значения 16 400 или 18 800 атомов углерода в секунду на квадратный метр поверхности Земли, что согласуется с глобальным углеродным бюджетом, который может быть использовались для отката, но попытки измерить время производства непосредственно на месте были не очень успешными. Скорость производства варьируется из-за изменений потока космических лучей, вызванных гелиосферной модуляцией (солнечный ветер и солнечное магнитное поле), а также из-за изменений магнитного поля Земли. Последнее может привести к значительным изменениям в скорости образования углерода, хотя изменения углеродного цикла могут затруднить выявление этих эффектов. Иногда могут возникать спайки; например, есть свидетельства необычно высокой скорости производства в 774–775 гг. нашей эры, вызванной экстремальным событием с частицами солнечной энергии, сильнейшим за последние десять тысячелетий. Еще одно «необычайно большое» увеличение содержания углерода (2%) было связано с событием 5480 г. до н.э., которое вряд ли связано с солнечной энергией частиц.
Углерод-14 может также производиться молнией, но в незначительных количествах в глобальном масштабе по сравнению с производством космических лучей. Местные эффекты разряда облаков в землю через остатки проб неясны, но, возможно, значительны.
Углерод-14 также может образовываться другими нейтронными реакциями, включая, в частности, C (n, γ) C и O (n, α) C с тепловыми нейтронами и N (n, d) C и O (n, He) C с быстрые нейтроны. Наиболее известные пути получения C путем облучения мишеней тепловыми нейтронами (например, в ядерном реакторе) приведены в таблице.
Углерод-14 также может быть радиогенным (кластерный распад Ra, Ra, Ra). Однако такое происхождение встречается крайне редко.
| Исходный изотоп | Естественное содержание,% | Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, b | Реакция |
|---|---|---|---|
| N | 99.634 | 1,81 | N (n, p) C |
| C | 1.103 | 0,0009 | C (n, γ) C |
| O | 0.0383 | 0.235 | O (n, α) C |
Атмосферный C, Новая Зеландия и Австрия. Кривая Новой Зеландии является представительной для Южного полушария, австрийская кривая - для Северного полушария. Атмосферные испытания ядерного оружия почти удвоили концентрацию углерода в северном полушарии. Аннотированная этикетка PTBT представляет собой Договор о частичном запрещении ядерных испытаний.Наземные ядерные испытания, которые произошли в нескольких странах в период с 1955 по 1980 год (см. Список ядерных испытаний) резко увеличилось количество углерода-14 в атмосфере, а затем и в биосфере; после завершения испытаний концентрация изотопа в атмосфере начала снижаться, поскольку радиоактивный СО2 фиксировался в тканях растений и животных и растворялся в океанах.
Одним из побочных эффектов изменения содержания углерода-14 в атмосфере является то, что это позволило использовать некоторые параметры (например, датирование по импульсам бомбы ) для определения года рождения человека, в частности, количество углерода-14 в зубной эмали или концентрация углерода-14 в хрусталике глаза.
В 2019 году Scientific American сообщил, что углерод -14 от испытаний ядерной бомбы был обнаружен в телах водных животных, найденных в одном из самых труднодоступных регионов Земли, Марианской впадине в Тихом океане.
Углерод-14 производится в теплоносителе в реакторах с кипящей водой (BWR) и реакторах с водой под давлением (PWR). Обычно он выбрасывается в атмосферу в форме диоксида углерода на реакторах BWR и метана на реакторах PWR. Лучшая практика для оператора атомной электростанции по управлению углеродом-14 включает выброс его в ночное время, когда станции не фотосинтезируют. Углерод-14 также образуется в ядерном топливе (частично из-за трансмутации кислорода в оксиде урана, но наиболее существенно из-за трансмутации примесей азота-14), и если отработавшее топливо направляется на ядерную переработку, тогда углерод-14 выделяется, например, как CO 2 во время PUREX.
После производства в верхних слоях атмосферы, атомы углерода-14 быстро реагируют с образованием в основном (около 93%) CO (монооксида углерода ), который впоследствии окисляется с более медленной скоростью с образованием CO 2, радиоактивного углерода диоксид. Газ быстро смешивается и равномерно распределяется по атмосфере (шкала времени перемешивания составляет порядка недель). Двуокись углерода также растворяется в воде и таким образом проникает в океаны, но с меньшей скоростью. Период полураспада в атмосфере для удаления CO 2 оценивается примерно от 12 до 16 лет в северном полушарии. Перенос между мелководным слоем океана и большим резервуаром бикарбонатов в глубинах океана происходит с ограниченной скоростью. В 2009 году активность C составляла 238 Бк на кг углерода свежего наземного биоматериала, что близко к значениям до атмосферных ядерных испытаний (226 Бк / кг C; 1950).
Запасы углерода-14 в биосфере Земли составляют около 300 мегакюри (11 E Bq ), большая часть которых находится в океанах. Был дан следующий перечень углерода-14:
Многие химические вещества, созданные человеком, получают из ископаемого топлива (например, нефть или уголь ), в котором C сильно обеднен, потому что возраст окаменелостей намного превышает период полураспада C. CO 2 - или, скорее, его относительное отсутствие - поэтому используется для определения относительный вклад (или соотношение смешения ) окисления ископаемого топлива в общий диоксид углерода в данной области атмосферы Земли.
Датирование конкретного образца ископаемого углеродистого Материал более сложен. Такие отложения часто содержат следовые количества углерода-14. Эти количества могут значительно варьироваться между образцами, в пределах до 1% от соотношения, обнаруженного в живых организмах, концентрация, сравнимая с кажущимся возрастом 40 000 лет. rs. Это может указывать на возможное загрязнение небольшими количествами бактерий, подземные источники излучения, вызывающие реакцию N (n, p) C, прямой распад урана (хотя зарегистрированные измеренные отношения C / U в урансодержащих рудах предполагают примерно 1 атом урана для каждые два атома углерода, чтобы вызвать отношение C / C, измеренное порядка 10), или другие неизвестные вторичные источники образования углерода-14. Присутствие углерода-14 в изотопной сигнатуре образца углеродистого материала, возможно, указывает на его загрязнение биогенными источниками или распад радиоактивного материала в окружающих геологических пластах. В связи со строительством обсерватории солнечных нейтрино Борексино было получено нефтяное сырье (для синтеза первичного сцинтиллятора) с низким содержанием углерода. В испытательной установке для подсчета Borexino было определено соотношение C / C 1,94 × 10; возможные реакции, ответственные за различные уровни C в различных нефтяных коллекторах и более низкие уровни C в метане, обсуждались Bonvicini et al.
Поскольку многие источники пищи для человека в конечном итоге получены из наземных растений, относительная концентрация углерода-14 в наших телах почти идентична относительной концентрации в атмосфере. Скорости распада калия-40 и углерода-14 в нормальном организме взрослого человека сопоставимы (несколько тысяч распавшихся ядер в секунду). Бета-распад от внешнего (экологического) радиоуглерода вносит примерно 0,01 мЗв / год (1 мбэр / год) в дозу ионизирующего излучения на каждого человека. Это мало по сравнению с дозами от калия-40 (0,39 мЗв / год) и радона (переменная).
Углерод-14 может использоваться в качестве радиоактивного индикатора в медицине. В начальном варианте дыхательного теста с мочевиной, диагностического теста на Helicobacter pylori, мочевина, меченная примерно 37 кБк (1,0 мкКи ) углерод-14 подается пациенту (т.е. 37 000 распадов в секунду). В случае инфекции H. pylori бактериальный фермент уреаза расщепляет мочевину на аммиак и радиоактивно-меченный диоксид углерода, что может быть обнаружено с помощью низкоуровневый подсчет дыхания пациента. Дыхательный тест с мочевиной был в значительной степени заменен дыхательным тестом с мочевиной C, который не имеет проблем с излучением.
.
| Зажигалка:. углерод-13 | Углерод-14 представляет собой изотоп. углерода | Более тяжелый:. углерод-15 |
| Продукт распада :. бор- 14, азот-18 | Цепь распада. углерода-14 | Распадается на:. азот-14 |
