Углерод-14

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Углерод-14
Atmospheric radiocarbon 1954-1993.svg
Общие сведения
Название, символ Углерод-14, 14C
Альтернативные названия радиоуглеро́д, радиокарбо́н
Нейтронов 8
Протонов 6
Свойства нуклида
Атомная масса 14,003241989(4)[1] а. е. м.
Избыток массы 3019,893(4)[1] кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон) 7520,319(0)[1] кэВ
Период полураспада 5,70(3)·103[2] лет
Продукты распада 14N
Спин и чётность ядра 0+[2]
Канал распада Энергия распада
β 0,156476(4)[1] МэВ

Углерод-14 (лат. C-14, исторические названия радиоуглеро́д, радиокарбо́н) — радиоактивный нуклид химического элемента углерода с атомным номером 6 и массовым числом 14.

Открытие[править | править вики-текст]

Углерод-14 является одним из природных радиоактивных изотопов. 27 февраля 1940 года его впервые обнаружили во время своих экспериментов американские физики Мартин Дэвид Кеймен и Самуэл Рубен. Период его полураспада, составляющий 5730 ± 30 лет, был установлен позже (Мартин Кеймен в своих первых экспериментах получил 2700 и 4000 лет[3], Либби в 1951 году принял период полураспада в 5568 ± 30 лет).

Образование[править | править вики-текст]

Углерод-14 образуется в верхних слоях тропосферы и стратосферы в результате поглощения атомами азота-14 тепловых нейтронов, которые в свою очередь являются результатом взаимодействия космических лучей и вещества атмосферы:

Сечение процесса 14N(n, p)14C довольно высоко (1,83 барн). Оно в 25 раз выше, чем сечение конкурирующего процесса — радиативного захвата теплового нейтрона 14N(n, γ)15N. Существуют и другие реакции, создающие в атмосфере космогенный углерод-14, в частности 13C(n,γ)14C и 17O(n,α)14C. Однако их скорость значительно ниже ввиду меньшей распространённости исходных нуклидов и меньших сечений реакции.

С наибольшей скоростью углерод-14 образуется на высоте от 9 до 15 км на высоких геомагнитных широтах, однако затем он равномерно распределяется по всей атмосфере. В секунду над каждым квадратным метром земной поверхности в среднем образуется от 16 400 до 18 800 атомов углерода-14[4][5], хотя скорость образования может колебаться в зависимости от солнечной активности и других факторов. Обнаружены резкие и короткие увеличения скорости образования 14C, например событие в 774—775 годах н. э. (предположительно связанное с очень мощной солнечной вспышкой или близким гамма-всплеском).

Ещё один природный канал образования углерода-14 — происходящий с очень малой вероятностью кластерный распад некоторых тяжёлых ядер, входящих в радиоактивные ряды. В настоящее время обнаружен распад с эмиссией углерода-14 ядер 224Ra (ряд тория), 223Ra (ряд урана-актиния), 226Ra (ряд урана-радия); предсказан, но экспериментально не обнаружен аналогичный процесс для других природных тяжёлых ядер (кластерная эмиссия углерода-14 обнаружена также для отсутствующих в природе нуклидов 221Fr, 221Ra, 222Ra и 225Ac). Скорость образования радиогенного углерода-14 по этому каналу пренебрежимо мала по сравнению со скоростью образования космогенного углерода-14[6].

При испытаниях ядерного и особенно термоядерного оружия в атмосфере в 1940—1960-х годах углерод-14 интенсивно образовывался в результате облучения атмосферного азота тепловыми нейтронами от ядерных и термоядерных взрывов. В результате содержание углерода-14 в атмосфере сильно возросло (так называемый «бомбовый пик», см. рис.), однако впоследствии стало постепенно возвращаться к прежним значениям ввиду ухода в океан и прочие резервуары. Другой техногенный процесс, повлиявший на среднее отношение [14C]/[12C] в атмосфере, действует в направлении уменьшения этой величины: с началом индустриализации (XVIII век) значительно увеличилось сжигание угля, нефти и природного газа, то есть выброс в атмосферу древнего ископаемого углерода, не содержащего 14C (так называемый эффект Зюсса)[7].

Ядерные реакторы, использующие воду в активной зоне, также являются источником техногенного загрязнения углеродом-14[8][9].

Общее количество углерода-14 на Земле оценивается в 8500 петабеккерелей (около 50 тонн), в том числе в атмосфере 140 ПБк (840 кг). Количество углерода-14, попавшего в атмосферу и другие среды в результате ядерных испытаний, оценивается в 220 ПБк (1,3 тонны)[10].

Распад[править | править вики-текст]

Углерод-14 претерпевает β-распад, в результате распада образуется стабильный нуклид 14N (выделяемая энергия 156,476(4) кэВ[1]):

Скорость распада не зависит от химических и физических свойств окружения. Грамм атмосферного углерода содержит около 1,5×10−12 г углерода-14 и излучает около 0,6 бета-частиц в секунду за счёт распада этого изотопа. Следует отметить, что с этой же скоростью углерод-14 распадается и в человеческом теле; каждую секунду в организме человека происходит несколько тысяч распадов. Ввиду малой энергии образующихся бета-частиц мощность эквивалентной дозы внутреннего облучения, получаемого по этому каналу (0,01 мЗв/год, или 0,001 бэр/год), невелика по сравнению с мощностью дозы от внутреннего калия-40 (0,39 мЗв/год)[11]. Средняя удельная активность углерода-14 живой биомассы на суше в 2009 году составляла 238 Бк на 1 кг углерода, близко к значениям до бомбового пика (226 Бк/кг C; 1950)[12].

Использование[править | править вики-текст]

Радиоизотопное датирование[править | править вики-текст]

Углерод-14 постоянно образуется в атмосфере из азота-14 под воздействием космических лучей. Для современного уровня космической активности можно оценить относительное содержание углерода-14 по отношению к «обычному» (углероду-12) в атмосфере как примерно 1:1012. Как и обычный углерод, 14C вступает в реакцию с кислородом, образуя углекислый газ, который нужен растениям в процессе фотосинтеза. Люди и различные животные затем потребляют растения и изготовленные из них продукты в пищу, усваивая таким образом и углерод-14. При этом соотношения концентраций изотопов углерода [14C]: [13C]: [12C] сохраняются практически такими же, как в атмосфере; изотопное фракционирование в биохимических реакциях изменяет эти соотношения лишь на несколько промилле, что может быть учтено[13].

В умершем живом организме углерод-14 постепенно распадается, а стабильные изотопы углерода остаются без изменений. То есть соотношение изотопов изменяется с течением времени. Это позволило использовать данный изотоп для установления возраста методом радиоизотопного датирования при датировании биоматериалов и некоторых неорганических образцов возраста до 60 000 лет. Наиболее часто используется в археологии, в ледниковой и постледниковой геологии, а также в физике атмосферы, геоморфологии, гляциологии, гидрологии и почвоведении, в физике космических лучей, физике Солнца и в биологии, не только для датировок, но и как трассер различных природных процессов[13].

В медицине[править | править вики-текст]

Используется для определения заражения желудочно-кишечного тракта Helicobacter pylori. Пациенту дают препарат мочевины с содержанием 14C. В случае инфекции H.pylori бактериальный фермент уреазы разрушает мочевину в аммиак и радиоактивно меченый углекислый газ, который может быть обнаружен в дыхании пациента[14][15]. Сегодня тест на основе меченых атомов 14C стараются заменять на тест со стабильным 13C, который не связан с радиационными рисками.

В России фармпрепараты на основе 14C производит обнинский филиал Научно-исследовательского физико-химического института имени Л. Я. Карпова[16].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 4 5 Audi G., Wapstra A. H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references (англ.) // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 337—676. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. — Bibcode2003NuPhA.729..337A.
  2. 1 2 Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode2003NuPhA.729....3A.
  3. Martin David Kamen. «Radiant science, dark politics: a memoir of the nuclear age».
  4. Kovaltsov G. A., Mishev A., Usoskin I. G. (2012). «A new model of cosmogenic production of radiocarbon 14C in the atmosphere». Earth and Planetary Science Letters 337—338: 114—120. arXiv:1206.6974. DOI:10.1016/j.epsl.2012.05.036. ISSN 0012-821X. Bibcode2012E&PSL.337..114K.
  5. Poluianov S. V. et al. (2016). «Production of cosmogenic isotopes 7Be, 10Be, 14C, 22Na, and 36Cl in the atmosphere: Altitudinal profiles of yield functions». Journal of Geophysical Research: Atmospheres 121: 8125—8136. arXiv:1606.05899. DOI:10.1002/2016JD025034.
  6. Baum E. M. et al. (2002). Nuclides and Isotopes: Chart of the nuclides. 16th ed. Knolls Atomic Power Laboratory (Lockheed Martin).
  7. Tans P.P., de Jong A.F.M., Mook W.G. (1979). «Natural atmospheric 14C variation and the Suess effect». Nature 280 (5725): 826—828. DOI:10.1038/280826a0.
  8. EPRI | Impact of Nuclear Power Plant Operations on Carbon-14 Generation, Chemical Forms, and Release. www.epri.com.
  9. EPRI | Carbon-14 Dose Calculation Methods at Nuclear Power Plants. www.epri.com.
  10. Choppin, G.R.; Liljenzin, J.O. and Rydberg, J. (2002) «Radiochemistry and Nuclear Chemistry», 3rd edition, Butterworth-Heinemann, ISBN 978-0-7506-7463-8.
  11. Radioactivity in the Natural Environment. In: NCRP Report No. 93. Ionizing Radiation Exposure of the Population of the United States. — National Council on Radiation Protection and Measurements, 1987.
  12. Carbon-14 and the environment. Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety.
  13. 1 2 В. Левченко. — «Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему». — «Русский Переплёт», 18 декабря 2001.
  14. Причины, процедура и подготовка к дыхательному тесту с С мочевиной
  15. Society of Nuclear Medicine Procedure Guideline for C-14 Urea Breath Test (PDF). snm.org (23 июня 2001). Проверено 4 июля 2007. Архивировано 26 сентября 2007 года.
  16. Обнинский филиал НИФХИ им. Л. Я. Карпова отмечает 50 лет со дня пуска реактора