Русская Википедия:Углерод-14

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Шаблон:Значения Шаблон:Нуклид Углеро́д-14 (Шаблон:SupC, используются также названия радиоуглеро́д, радиокарбо́н и сокращение C-14) — радиоактивный нуклид химического элемента углерода с атомным номером 6 и массовым числом 14.

Открытие

Углерод-14 является одним из природных радиоактивных изотопов. Первые указания на его существование были получены в 1936 году, когда британские физики У. Бёрчем и М. Голдхабер облучали медленными нейтронами ядра азота-14 в фотоэмульсии и обнаружили реакцию 14N(Шаблон:Math, Шаблон:Math)14C[1]. В 1940 году углерод-14 смогли выделить американские физики Мартин Дэвид Кеймен и Самуэл Рубен, облучавшие на циклотроне графитовую мишень дейтронами; 14C образовывался в реакции 13C(Шаблон:Math, Шаблон:Math)14C[2]. Его период полураспада был установлен позже (Мартин Кеймен в своих первых экспериментах получил 2700 и 4000 лет[3], Уиллард Либби в 1951 году принял период полураспада в 5568 ± 30 лет). Современное рекомендованное значение периода полураспада 5,70 ± 0,03 тыс. лет приведено в базе данных Nubase-2020[4] и основано на пяти экспериментах по измерению удельной активности, проведённых в 1960-х годах[5].

Образование

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

<math>\mathrm{~^{1}_{0}n} + \mathrm{~^{14}_{7}N} \rightarrow \mathrm{~^{14}_{6}C}+ \mathrm{~^{1}_{1}H}.</math>

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, Шаблон:Math)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[6][7], хотя скорость образования может колебаться в зависимости от солнечной активности и других факторов. Обнаружены резкие и короткие увеличения скорости образования 14C (события Мияке), предположительно связанные с очень мощной солнечной вспышкой или близким гамма-всплеском, например событие в 774 году н. э., когда в атмосфере одномоментно возникло в три с лишним раза больше радиоуглерода, чем в среднем образуется за год.

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[8].

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 Шаблон:Iw)[9].

Ядерные реакторы, использующие воду в активной зоне, также являются источником техногенного загрязнения углеродом-14[10][11], также как и реакторы с графитовым замедлителем[12].

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)[13].

Распад

Углерод-14 претерпевает [[Бета-распад|Шаблон:Math−-распад]], в результате распада образуется стабильный нуклид 14N (выделяемая энергия 156,476(4) кэВ[14]):

<math>\mathrm{~^{14}_{6}C}\rightarrow\mathrm{~^{14}_{7}N}+ e^- + \bar{\nu}_e.</math>

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. 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)[15]. 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)[16].

Биологическая роль

Углерод-14 является вторым (после калия-40) по значимости источником неустранимой собственной радиоактивности человеческого организма[17]. Его вклад в радиоактивность условного среднего человеческого тела массой 70 кг по различным оценкам составляет 3,1[18]—3,7[19][20] кБк.

Использование

Радиоизотопное датирование

Шаблон:Main

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[21].

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[21].

В медицине

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[22][23]. Сегодня тест на основе меченых атомов 14C стараются заменять на тест со стабильным 13C, который не связан с радиационными рисками.

В России радиофармпрепараты на основе 14C производит Обнинский филиал Научно-исследовательского физико-химического института имени Л. Я. Карпова[24].

Радиоизотопные источники энергии

Шаблон:Основная статья Существует концепция использования углерода-14 в качестве радиоизотопного источника энергии. В нём содержится алмазоподобное покрытие из 14C в качестве источника бета-излучения и дополнительное такое же покрытие с нормальным углеродом для создания необходимого полупроводникового перехода и инкапсуляции углерода-14. Такая батарея будет вырабатывать небольшое количество электроэнергии в течение тысяч лет[25].

См. также

Примечания

Шаблон:Примечания

Внешние ссылки

  1. ↑ Шаблон:Статья
  2. ↑ Шаблон:Статья
  3. ↑ Martin David Kamen. «Radiant science, dark politics: a memoir of the nuclear age».
  4. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Nubase2020 не указан текст
  5. ↑ Шаблон:Cite web
  6. ↑ Шаблон:Статья
  7. ↑ Шаблон:Статья
  8. ↑ Baum E. M. et al. (2002). Nuclides and Isotopes: Chart of the nuclides. 16th ed. Knolls Atomic Power Laboratory (Lockheed Martin).
  9. ↑ Шаблон:Статья
  10. ↑ Шаблон:Cite web
  11. ↑ Шаблон:Cite web
  12. ↑ Шаблон:Cite web
  13. ↑ Шаблон:Книга
  14. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок AME2020 не указан текст
  15. ↑ Radioactivity in the Natural Environment. In: Шаблон:Книга
  16. ↑ Шаблон:Cite web
  17. ↑ Шаблон:Статья
  18. ↑ Are Our Bodies Radioactive? / Health Physics Society, 2014: «...The body content of 14C for a 70-kg person would be about 3.08 kBq».
  19. ↑ Шаблон:Книга
  20. ↑ Шаблон:Книга
  21. ↑ 21,0 21,1 Левченко В. Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему. — «Русский Переплёт», 18 декабря 2001.
  22. ↑ Причины, процедура и подготовка к дыхательному тесту с С мочевиной
  23. ↑ Шаблон:Cite web
  24. ↑ Обнинский филиал НИФХИ им. Л. Я. Карпова отмечает 50 лет со дня пуска реактора
  25. ↑ Шаблон:Cite web

Шаблон:Выбор языка Шаблон:Изотопы углерода

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Углерод-14&oldid=10989171