Углерод-14 , С-14 ,14
C или радиоуглерод , является радиоактивным изотопом углеродас атомным ядром , содержащим 6 протонов и 8 нейтронов . Его присутствие в органических материалах 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 ), что составляет 1%; и углерод-14 (14
C ), который встречается в следовых количествах, составляя около 1 или 1,5 атома на 10 12 атомов углерода в атмосфере. Углерод-12 и углерод-13 оба стабильны, в то время как углерод-14 нестабилен и имеет период полураспада5700 ± 30 лет. [4] Углерод-14 имеет максимальную 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, испустит ~0,2 [7] бета-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 радиоактивному бета-распаду :
Испуская электрон и электронное антинейтрино , один из нейтронов в атоме углерода-14 распадается на протон, а углерод-14 ( период полураспада 5700 ± 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%. Половина расстояния слоя в воде составляет 0,05 мм. [10]
Радиоуглеродное датирование — это метод радиометрического 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 углерода-14 составит около 14 распадов в минуту (dpm) на грамм чистого 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 остатков археологических памятников. Растения фиксируют атмосферный углерод во время фотосинтеза, поэтому уровень14
Уровень С в растениях и животных после их смерти приблизительно равен уровню14
C в атмосфере в то время. Однако затем он уменьшается из-за радиоактивного распада, что позволяет оценить дату смерти или фиксации. Начальный14
Уровень C для расчета может быть либо оценен, либо напрямую сравнен с известными годовыми данными из данных годичных колец деревьев ( дендрохронология ) до 10 000 лет назад (используя перекрывающиеся данные по живым и мертвым деревьям в данной области), или же из пещерных отложений ( спелеотемы ), примерно до 45 000 лет до настоящего времени. Расчет или (точнее) прямое сравнение уровней углерода-14 в образце с уровнями углерода-14 в годичных кольцах деревьев или пещерных отложениях известного возраста, затем дает возраст образца древесины или животного с момента формирования. Радиоуглерод также используется для обнаружения нарушений в естественных 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 .
Скорость14
Производство 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 может быть использован 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] Еще один «чрезвычайно большой»14
Увеличение C (2%) было связано с событием 5480 г. до н.э., которое вряд ли было связано с солнечными энергичными частицами. [25]
Углерод-14 также может быть произведен молнией [26] [27] , но в количествах, незначительных в глобальном масштабе по сравнению с образованием 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,13С (н,γ)14
С и17О (н,α)14
C с тепловыми нейтронами , и15Н (н,д)14
С и16На ,3
Он )14
C с быстрыми нейтронами . [28] Наиболее заметные пути для14
Получение углерода при облучении мишеней тепловыми нейтронами (например, в ядерном реакторе) приведено в таблице.
Углерод-14 также может быть радиогенным ( кластерный распад223
Ра ,224
Ра ,226
Ra ). Однако такое происхождение встречается крайне редко.
Наземные ядерные испытания , проводившиеся в нескольких странах в период с 1955 по 1980 год (см. список ядерных испытаний) , значительно увеличили количество углерода-14 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 содержания углерода-14 в атмосфере является то, что это позволило использовать некоторые возможности (например, датирование с помощью импульсной бомбы [33] ) для определения года рождения человека, в частности, количества углерода-14 в зубной эмали [34] [ 35] или концентрации углерода-14 в хрусталике глаза [36] .
В 2019 году журнал Scientific American сообщил, что углерод-14, оставшийся после испытаний ядерной бомбы, был обнаружен в телах водных животных, обитающих в одном из самых труднодоступных регионов Земли — Марианской впадине в Тихом океане. [37]
Концентрация углерода-14 в атмосферном CO 2 , определяемая как отношение углерода-14 к углероду-12 по отношению к стандарту, в настоящее время (примерно с 2022 года) снизилась до уровней, аналогичных тем, которые были до наземных ядерных испытаний 1950-х и 1960-х годов. [38] [39] Хотя дополнительные атомы углерода-14, образовавшиеся во время этих ядерных испытаний, не исчезли из атмосферы, океанов и биосферы, [40] они разбавлены 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 атмосферу 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 углерод-14 высвобождается, например, в виде CO2 во время PUREX . [43] [44]
После образования в верхних слоях атмосферы атомы углерода-14 быстро реагируют, образуя в основном (около 93%)14
CO ( окись углерода ), которая впоследствии окисляется медленнее, образуя14
КО
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
КО
2По оценкам, в северном полушарии этот период составляет около 12–16 лет. Перемещение между мелководным слоем океана и крупным 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 котором14
С сильно истощен, поскольку возраст ископаемых намного превышает период полураспада14
C. Относительное отсутствие14
КО
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 является более сложным. Такие отложения часто содержат следовые количества углерода-14. Эти количества могут значительно различаться между образцами, в пределах до 1% от соотношения, обнаруженного в живых организмах, концентрация, сопоставимая с видимым возрастом в 40 000 лет. [49] Это может указывать на возможное загрязнение небольшими количествами бактерий, подземных источников радиации, вызывающих14
Н (н,п)14
C реакция, прямой распад урана (хотя сообщалось об измеренных соотношениях14
C /U в урансодержащих рудах [50] подразумевает примерно 1 атом урана на каждые два атома углерода, чтобы вызвать14
С /12
C отношение, измеренное как порядка 10 −15 ), или другие неизвестные вторичные источники производства углерода-14. Присутствие углерода-14 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 , нефтяное сырье (для синтеза первичного сцинтиллятора) было получено с низким14
Содержание C. В испытательном центре подсчета Borexino,14
С /12
Было определено соотношение C 1,94×10 −18 ; [51] вероятные реакции, ответственные за различные уровни14
C в различных нефтяных пластах , а также нижняя14
Уровни C в метане обсуждались Бонвичини и др. [52]
Поскольку многие источники пищи человека в конечном итоге получены из наземных растений, относительная концентрация углерода-14 в организме человека почти идентична относительной концентрации в атмосфере. Скорости распада калия-40 и углерода-14 в нормальном организме взрослого человека сопоставимы (несколько тысяч распавшихся ядер в секунду). [53] Бета-распады внешнего (окружающего) радиоуглерода вносят приблизительно 0,01 мЗв /год (1 мбэр/год) в дозу ионизирующего излучения каждого человека . [54] Это мало по сравнению с дозами от калия-40 (0,39 мЗв/год) и радона (переменная величина).
Углерод-14 может использоваться в качестве радиоактивного индикатора в медицине. В первоначальном варианте уреазного дыхательного теста , диагностического теста на Helicobacter pylori , мочевина, меченая приблизительно 37 кБк (1,0 мкКи ) углеродом-14, вводится пациенту (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 низкого уровня 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.