Изотопы углерода

Углерод с разным количеством нейтронов

Углерод ( ₆ C) имеет 14 известных изотопов , от⁸
С
к²⁰
С
а также²²
С
, из которых12Си13Сстабильны .​ Самый долгоживущий радиоизотоп –14С, с периодом полураспада5,70(3) × 10 ³ года. Это также единственный радиоизотоп углерода, обнаруженный в природе, поскольку следовые количества образуются космогенно в результате реакции¹⁴
Н
+
н
→¹⁴
С
+¹
ЧАС
. Наиболее стабильным искусственным радиоизотопом является¹¹
С
, период полураспада которого составляет20,3402(53) мин . Все остальные радиоизотопы имеют период полураспада менее 20 секунд, большинство из них - менее 200 миллисекунд. Наименее стабильным изотопом является⁸
С
, с периодом полураспада3,5(1,4 ) × 10-21 ^с  . Легкие изотопы имеют тенденцию распадаться на изотопы бора , а тяжелые – на изотопы азота .

Список изотопов

1. ( ) – Неопределенность (1 σ ) указывается в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
2. Способы распада:
3. Жирный символ в виде дочернего продукта — дочерний продукт стабилен.
4. ( ) значение вращения — указывает на вращение со слабыми аргументами присваивания.
5. # - Значения, отмеченные #, получены не только на основе экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично на основе тенденций соседних нуклидов (TNN).
6. Впоследствии распадается в результате двойной эмиссии протонов на⁴
   Он
   для чистой реакции⁸
   С
   →⁴
   Он
   + 4¹
   ЧАС
   
7. Сразу распадается за счет испускания протонов на⁴
   Он
   для чистой реакции⁹
   С
   → 2 ⁴
   Он
   +¹
   ЧАС
   +
   е⁺
   
8. Сразу распадается на две части.⁴
   Он
   атомы для чистой реакции⁹
   С
   → 2 ⁴
   Он
   +¹
   ЧАС
   +
   е⁺
   
9. Используется для маркировки молекул при ПЭТ-сканировании.
10. Показанный режим распада энергетически разрешен, но экспериментально не наблюдался в этом нуклиде.
11. Единая атомная единица массы определяется как 1/12 массы несвязанного атома углерода-12 в его основном состоянии.
12. Отношение ¹² C к ¹³ C , использовавшееся для измерения биологической продуктивности в древние времена и различных типов фотосинтеза.
13. Имеет важное значение для радиодатирования (см. Радиоуглеродное датирование )
14. В первую очередь космогенный , производимый нейтронами, поражающими атомы14Н(¹⁴
    Н
    +
    н
    →¹⁴
    С
    +¹
    ЧАС
    )
15. Имеет 1 нейтрон гало .
16. Имеет 2 гало-нейтрона.

Углерод-11

Углерод-11 или¹¹
С
— радиоактивный изотоп углерода , распадающийся до бора-11 . Этот распад в основном происходит из-за эмиссии позитронов , причем около 0,19–0,23% распадов происходит в результате захвата электронов . ^{[6] [7]} Период полураспада составляет20,3402(53) мин .

¹¹
С
→11Б+е++νе+0,96  МэВ

¹¹
С
+е−→¹¹
Б
+
ν
_е+1,98 МэВ

Его получают из азота в циклотроне по реакции

¹⁴
Н
+п→¹¹
С
+⁴
Он

Углерод-11 обычно используется в качестве радиоизотопа для радиоактивной маркировки молекул в позитронно-эмиссионной томографии . Среди многих молекул, используемых в этом контексте, есть радиолиганды [¹¹
С
]DASB и [¹¹
С
]Цимби-5 .

Природные изотопы

В природе существует три изотопа углерода: 12, 13 и 14.¹²
С
и¹³
С
стабильны и встречаются в естественной пропорции примерно 93:1 .¹⁴
С
производится тепловыми нейтронами космического излучения в верхних слоях атмосферы и переносится на Землю для поглощения живым биологическим материалом. Изотопно,¹⁴
С
составляет незначительную часть; но, поскольку он радиоактивен с периодом полураспада5,70(3) × 10 ³ лет, обнаруживается радиометрически. Поскольку мертвая ткань не впитывает¹⁴
С
, количество¹⁴
С
— один из методов, используемых в археологии для радиометрического датирования биологического материала.

Палеоклимат

¹²
С
и¹³
С
измеряются как соотношение изотопов δ ¹³ C у бентосных фораминифер и используются в качестве показателя круговорота питательных веществ и температурно-зависимого обмена CO ₂ между воздухом и морем (вентиляция). ^[8] Растениям легче использовать более легкие изотопы (¹²
С
), когда они преобразуют солнечный свет и углекислый газ в пищу. Например, крупные скопления планктона (свободно плавающие организмы) поглощают большое количество¹²
С
из океанов. Первоначально,¹²
С
в основном попадал в морскую воду из атмосферы. Если океаны, в которых обитает планктон, стратифицированы (это означает, что вверху есть слои теплой воды, а глубже - более холодные), то поверхностная вода не очень сильно смешивается с более глубокими водами, поэтому, когда планктон умирает , оно тонет и уносит¹²
С
с поверхности, оставляя поверхностные слои относительно богатыми¹³
С
. Там, где холодные воды поднимаются из глубин (например, в Северной Атлантике ), вода несет¹²
С
поддержите это; Когда океан был менее стратифицирован, чем сегодня, его было гораздо больше¹²
С
в скелетах поверхностно обитающих видов. Другие индикаторы климата прошлого включают наличие тропических видов и колец роста кораллов. ^[9]

Отслеживание источников пищи и рациона питания

Количества различных изотопов можно измерить с помощью масс-спектрометрии и сравнить со стандартом ; результат (например, дельта¹³
С
= δ¹³
С
) выражается в тысячных частях (‰): ^[10]

${\displaystyle \delta {\ce {^{13}C}}=\left({\frac {\left({\frac {{\ce {^{13}C}}}{{\ce {^{12}C}}}}\right)_{\text{sample}}}{\left({\frac {{\ce {^{13}C}}}{{\ce {^{12}C}}}}\right)_{\text{standard}}}}-1\right)\times 1000}$‰

Стабильные изотопы углерода в углекислом газе по-разному используются растениями в процессе фотосинтеза . ^{[ нужна ссылка ]} Травы в умеренном климате ( ячмень , рис , пшеница , рожь и овес , а также подсолнечник , картофель , помидоры , арахис , хлопок , сахарная свекла и большинство деревьев и их орехи или фрукты, розы и мятлик Кентукки ) следуют путь фотосинтеза C3 , который будет давать значения δ ¹³ C в среднем около -26,5 ‰. ^{[ нужна ссылка ]} Травы в жарком засушливом климате ( в частности, кукуруза , а также просо , сорго , сахарный тростник и крабовая трава ) следуют фотосинтетическому пути C4 , который производит значения δ ¹³ C в среднем около -12,5 ‰. ^[11]

Отсюда следует, что употребление в пищу этих различных растений повлияет на значения δ ¹³ C в тканях тела потребителя. Если животное (или человек) питается только растениями С3, его значения δ ¹³ C будут составлять от -18,5 до -22,0‰ в костном коллагене и -14,5‰ в гидроксилапатите зубов и костей. ^[12]

Напротив, кормушки C4 будут иметь костный коллаген со значением -7,5 ‰ и значение гидроксилапатита -0,5 ‰.

В реальных тематических исследованиях тех, кто ест просо и кукурузу, можно легко отличить от тех, кто ест рис и пшеницу. Изучение того, как эти диетические предпочтения распределяются географически во времени, может пролить свет на пути миграции людей и пути распространения различных сельскохозяйственных культур. Однако группы людей часто смешивали растения C3 и C4 (северные китайцы исторически питались пшеницей и просом) или смешивали группы растений и животных (например, юго-восточные китайцы питались рисом и рыбой). ^[13]

Смотрите также

• Космогенные изотопы
• Экологические изотопы
• Изотопная подпись
• Радиоуглеродное датирование

Рекомендации

1. «Стандартный атомный вес: углерод». ЦИАВ . 2009.
2. Прохаска, Томас; Ирргехер, Йоханна; Бенефилд, Жаклин; Бёлке, Джон К.; Чессон, Лесли А.; Коплен, Тайлер Б.; Дин, Типинг; Данн, Филип Дж. Х.; Грёнинг, Манфред; Холден, Норман Э.; Мейер, Харро Эй Джей (04 мая 2022 г.). «Стандартные атомные массы элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . doi : 10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
3. Ван, Мэн; Хуанг, WJ; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки *». Китайская физика C . 45 (3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
4. Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
5. «Атомный вес углерода». ЦИАВ .
6. Скоби, Дж.; Льюис, генеральный менеджер (1 сентября 1957 г.). «К-захват в углероде 11». Философский журнал . 2 (21): 1089–1099. Бибкод : 1957PMag....2.1089S. дои : 10.1080/14786435708242737.
7. Кэмпбелл, Дж.Л.; Лейпер, В.; Ледингем, KWD; Древер, RWP (11 апреля 1967 г.). «Отношение К-захвата к эмиссии позитронов при распаде ¹¹ С». Ядерная физика А . 96 (2): 279–287. Бибкод : 1967NuPhA..96..279C. дои : 10.1016/0375-9474(67)90712-9.
8. Линч-Стиглиц, Жан; Стокер, Томас Ф.; Брокер, Уоллес С.; Фэрбенкс, Ричард Г. (1995). «Влияние обмена воздуха и моря на изотопный состав океанического углерода: наблюдения и моделирование». Глобальные биогеохимические циклы . 9 (4): 653–665. Бибкод : 1995GBioC...9..653L. дои : 10.1029/95GB02574. S2CID  129194624.
9. Тим Флэннери Создатели погоды: история и будущее изменения климата , The Text Publishing Company, Мельбурн, Австралия. ISBN 1-920885-84-6 
10. Миллер, Чарльз Б.; Уилер, Патрисия (2012). Биологическая океанография (2-е изд.). Чичестер, Западный Суссекс: John Wiley & Sons, Ltd. 186. ИСБН 9781444333022. OCLC  794619582.
11. О'Лири, Мэрион Х. (май 1988 г.). «Изотопы углерода в фотосинтезе» (PDF) . Бионаука . 38 (5): 328–336. дои : 10.2307/1310735. JSTOR  1310735. S2CID  29110460 . Проверено 17 ноября 2022 г.
12. Тайкот, Р.Х. (2004). М. Мартини; М. Милаццо; М. Пьячентини (ред.). «Стабильные изотопы и диета: вы то, что вы едите» (PDF) . Труды Международной школы физики «Энрико Ферми», курс CLIV .
13. Ричард, Хеджес (2006). «Откуда берется наш белок?». Британский журнал питания . 95 (6): 1031–2. дои : 10.1079/bjn20061782 . ПМИД  16768822.