WikiSort.ru - Не сортированное

ПОИСК ПО САЙТУ | о проекте
Углерод-14
Название, символ Углерод-14, 14C
Альтернативные названия радиоуглеро́д, радиокарбо́н
Нейтронов 8
Свойства нуклида
Атомная масса 14,003241989(4)[1] а. е. м.
Дефект 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
Таблица нуклидов

Углеро́д-14 (лат. C-14, используются также названия радиоуглеро́д, радиокарбо́н) — 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(n, p)14C[3]. 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(d, p)14C[4]. Его период полураспада был установлен позже (Мартин Кеймен в своих первых экспериментах получил 2700 и 4000 лет[5], Уиллард Либби в 1951 году принял период полураспада в 5568 ± 30 лет). Современное рекомендованное значение периода полураспада 5700 ± 30 лет приведено в базе данных Nubase-2016[2] и основано на пяти экспериментах по измерению удельной активности, проведённых в 1960-х годах[6].

Образование

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[7][8], 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[9].

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)[10].

Ядерные реакторы, использующие воду в активной зоне, также являются источником техногенного загрязнения углеродом-14[11][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 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)[14]. 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)[15].

Использование

Радиоизотопное датирование

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[16].

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[16].

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[17][18]. 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[19].

См. также

Примечания

  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. — Bibcode: 2003NuPhA.729..337A.
  2. 1 2 3 Audi G., Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S. The Nubase2016 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2017. — Vol. 41, iss. 3. — P. 030001-1—030001-138. — DOI:10.1088/1674-1137/41/3/030001. — Bibcode: 2017ChPhC..41c0001A.
  3. ↑ Burcham W. E., Goldhaber M. The disintegration of nitrogen by slow neutrons (англ.) // Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. — 1936. — December (vol. 32, no. 04). — P. 632—636. — DOI:10.1017/S0305004100019356.
  4. ↑ Kamen, Martin D. (1963). “Early History of Carbon-14: Discovery of this supremely important tracer was expected in the physical sense but not in the chemical sense”. Science. 140 (3567): 584—590. Bibcode:1963Sci...140..584K. DOI:10.1126/science.140.3567.584. PMID 17737092.
  5. ↑ Martin David Kamen. «Radiant science, dark politics: a memoir of the nuclear age».
  6. ↑ Bé M.M., Chechev V. P. 14C — Comments on evaluation of decay data. www.nucleide.org. LNHB. Проверено 8 июня 2018. Архивировано 22 ноября 2016 года.
  7. ↑ 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. Bibcode:2012E&PSL.337..114K. DOI:10.1016/j.epsl.2012.05.036. ISSN 0012-821X.
  8. ↑ 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.
  9. ↑ Baum E. M. et al. (2002). Nuclides and Isotopes: Chart of the nuclides. 16th ed. Knolls Atomic Power Laboratory (Lockheed Martin).
  10. ↑ 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.
  11. ↑ EPRI | Impact of Nuclear Power Plant Operations on Carbon-14 Generation, Chemical Forms, and Release. www.epri.com. Архивировано 18 августа 2016 года.
  12. ↑ EPRI | Carbon-14 Dose Calculation Methods at Nuclear Power Plants. www.epri.com. Архивировано 18 августа 2016 года.
  13. ↑ Choppin, G.R.; Liljenzin, J.O. and Rydberg, J. (2002) «Radiochemistry and Nuclear Chemistry», 3rd edition, Butterworth-Heinemann, ISBN 978-0-7506-7463-8.
  14. ↑ 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.
  15. ↑ Carbon-14 and the environment. Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety.
  16. 1 2 В. Левченко. — «Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему». — «Русский Переплёт», 18 декабря 2001.
  17. ↑ Причины, процедура и подготовка к дыхательному тесту с С мочевиной
  18. ↑ 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.
  19. ↑ Обнинский филиал НИФХИ им. Л. Я. Карпова отмечает 50 лет со дня пуска реактора

Данная страница на сайте WikiSort.ru содержит текст со страницы сайта "Википедия".

Если Вы хотите её отредактировать, то можете сделать это на странице редактирования в Википедии.

Если сделанные Вами правки не будут кем-нибудь удалены, то через несколько дней они появятся на сайте WikiSort.ru .



Текст в блоке "Читать" взят с сайта "Википедия" и доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike; в отдельных случаях могут действовать дополнительные условия.

Другой контент может иметь иную лицензию. Перед использованием материалов сайта WikiSort.ru внимательно изучите правила лицензирования конкретных элементов наполнения сайта.

2019-2024
WikiSort.ru - проект по пересортировке и дополнению контента Википедии