Углерод-14
Углерод-14 ( 14 С), или радиоуглеродного , является радиоактивный изотоп из углерода с атомным ядром , содержащим 6 протонов и 8 нейтронов . Его присутствие в органических материалах является основой метода радиоуглеродного датирования, впервые примененного Уиллардом Либби и его коллегами (1949) для датирования археологических, геологических и гидрогеологических образцов. Углерод-14 был открыт 27 февраля 1940 года Мартином Каменом и Сэмом Рубеном в Радиационной лаборатории Калифорнийского университета в Беркли, Калифорния.. Его существование было предположено Францем Кури в 1934 году [2].
| Общий | |
|---|---|
| Символ | 14 С |
| Имена | углерод-14, C-14, радиоуглерод |
| Протоны | 6 |
| Нейтронов | 8 |
| Данные о нуклидах | |
| Природное изобилие | 1 часть на триллион |
| Период полураспада | 5730 ± 40 лет |
| Изотопная масса | 14.003241 ед. |
| Вращение | 0+ |
| Режимы распада | |
| Режим распада | Энергия распада ( МэВ ) |
| Бета | 0,156476 [1] |
| Изотопы углерода Полная таблица нуклидов | |
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 12 атомов углерода в атмосфере. Углерод-12 и углерод-13 стабильны, а углерод-14 нестабилен и имеет период полураспада 5730 ± 40 лет. [3] Углерод-14 распадается на азот-14 посредством бета-распада . [4] Грамм углерода, содержащий 1 атом углерода-14 на 10 12 атомов, будет излучать
0,2 [5] бета-частиц в секунду. Основным естественным источником углерода-14 на Земле является воздействие космических лучей на азот в атмосфере, и поэтому он является космогенным нуклидом . Однако ядерные испытания под открытым небом между 1955 и 1980 годами способствовали этому.
Различные изотопы углерода существенно не различаются по своим химическим свойствам. Это сходство используется в химических и биологических исследованиях в технике, называемой углеродной маркировкой : атомы углерода-14 могут использоваться для замены нерадиоактивного углерода, чтобы отслеживать химические и биохимические реакции с участием атомов углерода любого данного органического соединения.
Углерод-14 подвергается радиоактивному бета-распаду :
Испуская электрон и электронный антинейтрино , один из нейтронов в атоме углерода-14 распадается на протон, а углерод-14 ( период полураспада 5700 ± 40 лет [6] ) распадается на стабильный (нерадиоактивный) изотоп азота-14 .
Испускаемые бета-частицы имеют максимальную энергию 156 кэВ, а их средневзвешенная энергия составляет 49 кэВ. [6] Это относительно низкие энергии; максимальное пройденное расстояние оценивается в 22 см в воздухе и 0,27 мм в тканях тела. Доля излучения, прошедшего через мертвый слой кожи, оценивается в 0,11. Небольшие количества углерода-14 нелегко обнаружить типичными детекторами Гейгера-Мюллера (GM) ; по оценкам, детекторы GM обычно не обнаруживают загрязнения менее 100 000 дезинтеграций в минуту (0,05 мкКи). Жидкостный сцинтилляционный счет является предпочтительным методом. [7] Эффективность подсчета GM оценивается в 3%. Слой половинного расстояния в воде составляет 0,05 мм. [8]
Радиоуглеродное датирование — это метод радиометрического датирования, который использует ( 14 C) для определения возраста углеродистых материалов примерно до 60 000 лет. Этот метод был разработан Уиллардом Либби и его коллегами в 1949 году [9], когда он работал профессором Чикагского университета . Либби подсчитал, что радиоактивность обменного углерода-14 будет около 14 распадов в минуту (dpm) на грамм чистого углерода, и это все еще используется в качестве активности современного стандарта радиоуглерода . [10] [11] В 1960 году Либби была удостоена Нобелевской премии по химии за эту работу.
Одно из частых применений этого метода — датирование органических остатков археологических раскопок. Растения фиксируют атмосферный углерод во время фотосинтеза, поэтому уровень 14 C у растений и животных, когда они умирают, примерно равен уровню 14 C в атмосфере в то время. Однако впоследствии она уменьшается в результате радиоактивного распада, что позволяет оценить дату смерти или фиксации. Первоначальный уровень 14 C для расчета можно либо оценить, либо напрямую сравнить с известными годовыми данными из данных годичных колец ( дендрохронология ) вплоть до 10 000 лет назад (с использованием перекрывающихся данных от живых и мертвых деревьев в данном конкретном случае). области), или из пещерных отложений ( speleothems ), примерно за 45000 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. [12] [13]
Естественное производство в атмосфере
Углерод-14 образуется в верхних слоях тропосферы и стратосферы с помощью тепловых нейтронов поглощается азота атомами. Когда космические лучи попадают в атмосферу, они претерпевают различные преобразования, включая образование нейтронов . Образовавшиеся нейтроны ( 1 n) участвуют в следующей np- реакции:
Самый высокий уровень производства углерода-14 происходит на высотах от 9 до 15 км (от 30 000 до 49 000 футов) и в высоких геомагнитных широтах.
Скорость образования 14 C можно смоделировать, получив значения 16 400 [14] или 18 800 [15] атомов 14 C в секунду на квадратный метр поверхности Земли, что согласуется с глобальным углеродным бюджетом, который можно использовать для обратного отслеживания, [16], но попытки измерить время производства непосредственно на месте не увенчались успехом. Скорость производства варьируется из-за изменений потока космических лучей, вызванных гелиосферной модуляцией (солнечный ветер и солнечное магнитное поле), и, что очень важно, из-за изменений магнитного поля Земли . Однако изменения в углеродном цикле могут затруднить выделение и количественную оценку таких эффектов. [16] [17] Иногда могут возникать всплески; например, имеются данные о необычно высокой скорости производства в 774-775 AD , [18] , вызванное крайней солнечной энергетической случае частиц, самый сильный за последние десять тысячелетий. [19] [20] Другое «необычайно большое» увеличение 14 C (2%) было связано с событием 5480 г. до н.э., которое вряд ли будет событием с частицами солнечной энергии. [21]
Углерод-14 может также производиться молнией [22] [23], но в незначительных количествах в глобальном масштабе по сравнению с производством космических лучей. Локальные эффекты разряда облаков в землю через остатки проб неясны, но, возможно, значительны.
Другие источники углерода-14
Углерод-14 может также образовываться другими нейтронными реакциями, включая, в частности, 13 C (n, γ) 14 C и 17 O (n, α) 14 C с тепловыми нейтронами , а также 15 N (n, d) 14 C и 16 O (n, 3 He) 14 C с быстрыми нейтронами . [24] Наиболее известные пути производства 14 C путем облучения мишеней тепловыми нейтронами (например, в ядерном реакторе) приведены в таблице.
Углерод-14 может быть также радиогенный ( кластерный распад из 223 Ra, 224 Ra, 226 Ra). Однако такое происхождение встречается крайне редко.
| Исходный изотоп | Природное изобилие,% | Сечение захвата тепловых нейтронов , б | Реакция |
|---|---|---|---|
| 14 с.ш. | 99,634 | 1,81 | 14 Н (п, п) 14 С |
| 13 С | 1,103 | 0,0009 | 13 С (п, γ) 14 С |
| 17 O | 0,0383 | 0,235 | 17 О (п, α) 14 С |
Формирование во время ядерных испытаний
Наземные ядерные испытания, которые произошли в нескольких странах в период с 1955 по 1980 год (см. Список ядерных испытаний), резко увеличили количество углерода-14 в атмосфере, а затем и в биосфере; после завершения испытаний концентрация изотопа в атмосфере начала уменьшаться, поскольку радиоактивный CO 2 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 методу бомбового импульса [29] ) для определения года рождения человека, в частности, количества углерода-14 в зубах. эмали , [30] [31] или концентрация углерода-14 в хрусталике глаза. [32]
В 2019 году журнал Scientific American сообщил, что углерод-14 в результате испытаний ядерной бомбы был обнаружен в телах водных животных, обнаруженных в одном из самых труднодоступных регионов Земли, Марианской впадине в Тихом океане. [33]
Выбросы от атомных электростанций
Углерод-14 образуется в теплоносителе в реакторах с кипящей водой (BWR) и реакторах с водой под давлением (PWR). Обычно он выбрасывается в атмосферу в виде диоксида углерода на реакторах BWR и метана на реакторах PWR. [34] Лучшая практика для оператора атомной электростанции по управлению углеродом-14 включает выброс его в ночное время, когда станции не фотосинтезируют . [35] 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 отработанное топливо отправляется на ядерную переработку, то углерод — 14 выделяется, например, как CO 2 во время PUREX . [36] [37]
Рассеивание в окружающей среде
После образования в верхних слоях атмосферы атомы углерода-14 быстро реагируют с образованием в основном (около 93%) 14 CO ( монооксида углерода ), который впоследствии окисляется с меньшей скоростью с образованием 14 CO 2 , радиоактивного диоксида углерода . Газ быстро смешивается и равномерно распределяется по атмосфере (шкала времени перемешивания составляет порядка недель). Углекислый газ также растворяется в воде и, таким образом, проникает в океаны , но медленнее. [17] Период полураспада в атмосфере для удаления 14 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. [25] В 2009 году активность 14 C составляла 238 Бк на кг углерода свежей земной биоматерии, что близко к значениям до атмосферных ядерных испытаний (226 Бк / кг C; 1950). [38]
Общий инвентарь
Инвентаризации углерода-14 в биосфере Земли составляет около 300 мегакюри (11 Х Бк ), из которых наиболее находится в океане. [39] Был дан следующий перечень углерода-14: [40]
8500 ПБк (около 50 т )
- Атмосфера: 140 ПБк (840 кг)
- Земные материалы: баланс
В ископаемом топливе
Многие искусственные химические вещества получают из ископаемого топлива (например, нефти или угля ), в котором 14 C сильно истощены, потому что возраст ископаемых намного превышает период полураспада 14 C. 14 CO 2 — или, скорее, его относительное отсутствие — поэтому используется для определения относительного вклада (или соотношения в смеси ) окисления ископаемого топлива в общее количество углекислого газа в данной области атмосферы Земли . [41]
Датировать конкретный образец окаменелого углеродистого материала сложнее. Такие отложения часто содержат следовые количества углерода-14. Эти количества могут значительно различаться между образцами, составляя до 1% от соотношения, обнаруженного в живых организмах, — концентрация, сопоставимая с кажущимся возрастом в 40 000 лет. [42] Это может указывать на возможное загрязнение небольшими количествами бактерий, подземные источники излучения, вызывающие реакцию 14 N (n, p) 14 C, прямой распад урана (хотя сообщалось об измеренных соотношениях 14 C / U в урансодержащих рудах [ 43] будет означать примерно 1 атом урана на каждые два атома углерода, чтобы вызвать соотношение 14 C / 12 C, измеренное порядка 10 -15 ), 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 Borexino было получено нефтяное сырье (для синтеза первичного сцинтиллятора) с низким содержанием 14 C. В испытательной установке для подсчета Borexino было определено соотношение 14 C / 12 C, равное 1,94 × 10 -18 ; [44] вероятные реакции, ответственные за различные уровни 14 C в различных нефтяных коллекторах и более низкие уровни 14 C в метане, обсуждались Bonvicini et al. [45]
В человеческом теле
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). [46] бета-распадов от внешней окружающей среды () радиоуглерода вклад приблизительно 0,01 мЗв / год (1 мбэр / год) для каждого человека дозы от ионизирующего излучения . [47] Это мало по сравнению с дозами от калия-40 (0,39 мЗв / год) и радона (переменная).
Углерод-14 может использоваться в медицине как радиоактивный индикатор . В первоначальном варианте дыхательного теста с мочевиной , диагностического теста на Helicobacter pylori , пациенту вводят мочевину, меченную примерно 37 кБк (1,0 мкКи ) углерода-14 (то есть 37000 распадов в секунду). В случае инфекции H. pylori бактериальный фермент уреаза расщепляет мочевину на аммиак и радиоактивно меченный углекислый газ , что можно обнаружить при низком уровне дыхания пациента. [48] 14 Испытание дыхания мочевины С было в значительной степени заменено на 13 C дыхательный тесте мочевины, который не имеет никаких проблем радиации.
Источник
