Углерод-14 , C-14 , 14 C или радиоуглерод — это радиоактивный изотоп углерода с атомным ядром , содержащим 6 протонов и 8 нейтронов . Его присутствие в органическом веществе является основой метода радиоуглеродного датирования , впервые предложенного 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 Кюри в 1934 году. [3]
На Земле существует три природных изотопа углерода: углерод-12 ( 12 C), который составляет 99% всего углерода на Земле; углерод-13 ( 13 C), который составляет 1%; и углерод-14 ( 14 C), который встречается в следовых количествах, составляя около 1-1,5 атомов на 10 12 атомов углерода в атмосфере. 12 C и 13 C оба стабильны; 14 C нестабилен, с периодом полураспада 5700 ± 30 лет. [4] Углерод-14 имеет удельную активность 62,4 мКи/ммоль (2,31 ГБк/ммоль), или 164,9 ГБк/г. [5] Углерод-14 распадается на азот-14 (14
N ) через бета-распад . [6] Грамм углерода, содержащий 1 атом углерода-14 на 10 12 атомов, испускает ~0,2 [7] бета (β) 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 на открытом воздухе между 1955 и 1980 годами внесли свой вклад в этот пул.
Различные изотопы углерода не имеют существенных различий в своих химических свойствах. Это сходство используется в химических и биологических исследованиях, в технике, называемой маркировкой углерода : атомы углерода-14 могут быть использованы для замены нерадиоактивного углерода, чтобы отслеживать химические и биохимические реакции с участием атомов углерода из любого данного органического соединения.
Углерод-14 подвергается бета-распаду :
Испуская электрон и электронное антинейтрино , один из нейтронов в углероде-14 распадается на протон и углерод-14 ( период полураспада5700 ± 30 лет [1] ) распадается на стабильный (нерадиоактивный) изотоп азот-14 .
Как обычно при бета-распаде, почти вся энергия распада уносится бета-частицей и нейтрино. Испускаемые бета-частицы имеют максимальную энергию около 156 кэВ, в то время как их средневзвешенная энергия составляет 49 кэВ. [8] 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 с помощью типичных детекторов Гейгера-Мюллера (ГМ) ; оценивается, что детекторы ГМ обычно не обнаруживают загрязнение менее чем около 100 000 распадов в минуту (0,05 мкКи). Жидкостный сцинтилляционный подсчет является предпочтительным методом [9] , хотя в последнее время методом выбора стала ускорительная масс-спектрометрия; он подсчитывает все атомы углерода-14 в образце, а не только те немногие, которые распадаются во время измерений; поэтому его можно использовать с гораздо меньшими образцами (такими как отдельные семена растений), и он дает результаты гораздо быстрее. Эффективность подсчета GM оценивается в 3%. Слой половины расстояния в воде составляет 0,05 мм. [10]
Радиоуглеродное датирование — это радиометрический метод датирования , который использует 14 C для определения возраста углеродистых материалов возрастом до 60 000 лет. Метод был разработан Уиллардом Либби и его коллегами в 1949 году [11] во время его пребывания на посту профессора в Чикагском университете . Либби подсчитал, что радиоактивность обменного 14 C составит около 14 распадов в минуту (dpm) на грамм углерода, и это до сих пор используется в качестве активности современного радиоуглеродного стандарта . [12] [13] В 1960 году Либби был удостоен Нобелевской премии по химии за эту работу.
Одним из частых применений этой техники является датирование органических останков из археологических памятников. Растения фиксируют атмосферный углерод во время фотосинтеза; поэтому уровень 14 C в растениях и животных, когда они умирают, примерно равен уровню 14 C в атмосфере в то время. Однако затем он экспоненциально уменьшается; поэтому можно 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 ) до 10 000 лет назад (используя перекрывающиеся данные с живых и мертвых деревьев в данной области), или из пещерных отложений ( спелеотемы ), примерно до 45 000 лет до настоящего времени. Расчет или (точнее) прямое сравнение уровней углерода-14 в образце с уровнями 14 C в годичных кольцах или пещерных отложениях известного возраста затем дает возраст образца древесины или животного с момента формирования. Радиоуглерод также используется для обнаружения нарушений в природных 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. [14] [15]
Космогенные нуклиды также используются в качестве косвенных данных для характеристики космических частиц и солнечной активности далекого прошлого. [16] [17]
Углерод-14 образуется в верхней тропосфере и стратосфере тепловыми нейтронами, поглощаемыми атомами азота . Когда космические лучи попадают в атмосферу, они претерпевают различные превращения, включая образование нейтронов . Образующиеся нейтроны (n) участвуют в следующей реакции np (p — протон ):
Самая высокая скорость образования углерода-14 наблюдается на высоте от 9 до 15 километров (от 30 000 до 49 000 футов) и на высоких геомагнитных широтах .
Скорость образования 14 C можно смоделировать, получив значения 16 400 [18] или 18 800 [19] атомов14
C в секунду на квадратный метр поверхности Земли, что согласуется с глобальным углеродным бюджетом , который можно использовать для обратного отслеживания, [20] но попытки измерить время производства непосредственно на месте не были очень успешными. Скорость производства варьируется из-за изменений в потоке космических лучей, вызванных гелиосферной модуляцией (солнечный ветер и солнечное магнитное поле), и, что очень важно, из-за изменений в магнитном поле Земли . Однако изменения в углеродном цикле могут затруднить выделение и количественную оценку таких эффектов. [20] [21]
Могут происходить случайные всплески; например, есть свидетельства необычно высокой скорости производства в 774–775 гг. н. э. , [22] вызванные экстремальным событием солнечной энергичной частицы, самым сильным таким событием, произошедшим за последние десять тысячелетий. [23] [24] Другое «чрезвычайно большое» увеличение 14 C (2%) было связано с событием 5480 г. до н. э., которое вряд ли было событием солнечной энергичной частицы. [25]
Углерод-14 также может быть произведен молнией [26] [27] , но в количествах, незначительных в глобальном масштабе по сравнению с производством космических лучей. Локальные эффекты разряда облако-земля через остатки образцов неясны, но, возможно, значительны.
Углерод-14 может также быть получен 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 . [28] Наиболее известные пути получения 14 C путем облучения мишеней тепловыми нейтронами (например, в ядерном реакторе) обобщены в таблице.
Другим источником углерода-14 являются ветви кластерного распада следов природных изотопов радия , хотя этот режим распада имеет отношение ветвления порядка10−8 относительно альфа-распада , поэтому радиогенный углерод-14 встречается крайне редко .
Наземные ядерные испытания , проводившиеся в нескольких странах в 1955–1980 годах (см. Список ядерных испытаний ), резко увеличили количество 14C в атмосфере, а затем и в биосфере; после окончания испытаний концентрация изотопа в атмосфере начала снижаться, поскольку радиоактивный CO2 фиксировался в тканях растений и животных и растворялся в океанах.
Одним из побочных эффектов изменения атмосферного 14 C является то, что это позволило использовать некоторые возможности (например, датирование с помощью импульсной бомбы [33] ) для определения года рождения человека, в частности, количества 14 C в зубной эмали [34] [ 35] или концентрации углерода-14 в хрусталике глаза. [36]
В 2019 году журнал Scientific American сообщил, что углерод-14, оставшийся от ядерных испытаний, был обнаружен в животных из одного из самых труднодоступных регионов на Земле — Марианской впадины в Тихом океане. [37]
Концентрация 14 C в атмосферном CO 2 , определяемая как отношение 14 C/ 12 C по отношению к стандарту, снизилась (примерно с 2022 года) до уровней, аналогичных тем, которые были до наземных ядерных испытаний 1950-х и 1960-х годов. [38] [39] Хотя дополнительный 14 C, образовавшийся в результате этих ядерных испытаний, не исчез из атмосферы, океанов и биосферы, [40] он разбавляется из-за эффекта Зюсса .
Углерод-14 вырабатывается в теплоносителе в реакторах с кипящей водой (BWR) и реакторах с водой под давлением (PWR). Обычно он выбрасывается в воздух в виде углекислого газа в BWR и метана в PWR. [41] Лучшая практика для оператора атомной электростанции по управлению углеродом-14 включает его выброс ночью, когда растения не фотосинтезируют . [42] Углерод-14 также вырабатывается внутри ядерного топлива (некоторые 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 14 C высвобождается, например, в виде CO 2 во время PUREX . [43] [44]
После образования в верхних слоях атмосферы углерод-14 быстро реагирует, образуя в основном (около 93%) 14CO ( окись углерода ), которая впоследствии окисляется с более медленной скоростью, образуя14
СО
2, радиоактивный углекислый газ . Газ быстро смешивается и равномерно распределяется по всей атмосфере (время смешивания составляет порядка недель). Углекислый газ также растворяется в воде и, таким образом, проникает в океаны , но с меньшей скоростью. [21] Период полураспада в атмосфере для удаления14
СО
2оценивается примерно в 12-16 лет в Северном полушарии. Передача между мелководным слоем океана и большим резервуаром бикарбонатов в глубинах океана происходит с ограниченной скоростью. [29]
В 2009 году активность14
Уровень С составил 238 Бк на кг углерода свежей земной биомассы, что близко к значениям до атмосферных ядерных испытаний (226 Бк/кг С; 1950 г.) [45] .
Запас углерода-14 в биосфере Земли составляет около 300 мегакюри (11 ЭБк ) , большая часть которого находится в океанах. [46] Приведен следующий запас углерода-14: [47]
Многие химические вещества, созданные человеком, получены из ископаемого топлива (например, нефти или угля ), в котором содержание 14C значительно снижено, поскольку возраст ископаемых намного превышает период полураспада 14C . Относительное отсутствие14
СО
2поэтому используется для определения относительного вклада (или соотношения смешивания ) окисления ископаемого топлива в общее количество углекислого газа в данном регионе атмосферы Земли . [48]
Датирование конкретного образца окаменелого углеродистого материала более сложно. Такие отложения часто содержат следовые количества 14 C. Эти количества могут значительно различаться между образцами, в пределах до 1% от соотношения, обнаруженного в живых организмах (очевидный возраст около 40 000 лет). [49] Это может указывать на загрязнение небольшим количеством бактерий, подземными источниками радиации, вызывающими реакцию 14 N(n,p) 14 C, прямым распадом урана (хотя сообщенные измеренные соотношения 14 C/U в урансодержащих рудах [50] подразумевали бы примерно 1 атом урана на каждые два атома углерода, чтобы вызвать соотношение 14 C/ 12 C, измеренное как порядка 10 −15 ), или другими неизвестными вторичными источниками производства 14 C. Присутствие 14 C в изотопной сигнатуре образца углеродистого материала, возможно, указывает на его загрязнение биогенными источниками или распад радиоактивного материала в окружающих геологических слоях. В связи со строительством солнечной нейтринной обсерватории Borexino было получено нефтяное сырье (для синтеза первичного сцинтиллятора) с низким содержанием 14 C. В испытательной установке Borexino Counting Test было определено отношение 14 C/ 12 C, равное 1,94×10 −18 ; [51] возможные реакции, ответственные за различные уровни 14 C в различных нефтяных резервуарах и более низкие уровни 14 C в метане, обсуждались Бонвичини и др. [52]
Поскольку многие источники пищи человека в конечном итоге получены из наземных растений, относительная концентрация 14 C в организме человека почти идентична относительной концентрации в атмосфере. Скорости распада калия-40 ( 40 K) и 14 C в нормальном организме взрослого человека сопоставимы (несколько тысяч распадов в секунду). [53] Бета-распады внешнего (окружающего) радиоуглерода вносят около 0,01 мЗв /год (1 мбэр/год) в дозу ионизирующего излучения каждого человека . [54] Это мало по сравнению с дозами от 40 K (0,39 мЗв/год) и радона (переменная).
14 C может использоваться в качестве радиоактивного индикатора в медицине. В первоначальном варианте уреазного дыхательного теста , диагностического теста на Helicobacter pylori , пациенту вводят мочевину, меченую примерно 37 кБк (1,0 мкКи ) 14 C (т. е. 37 000 распадов в секунду). В случае заражения H. pylori бактериальный фермент уреаза расщепляет мочевину на аммиак и радиоактивно меченый диоксид углерода , который можно обнаружить путем подсчета низких уровней дыхания пациента. [55]
остальной атмосферный углекислый газ поступает из молодых источников, а именно из-за изменений в землепользовании (например, вырубка леса для создания фермы) и обмена с океаном и земной биосферой. Это делает 14C идеальным индикатором углекислого газа, поступающего при сжигании ископаемого топлива. Ученые могут использовать измерения 14C для определения возраста углекислого газа, собранного в пробах воздуха, и на основе этого могут рассчитать, какая доля углекислого газа в образце поступает из ископаемого топлива.