Углерод-14 , С-14 ,14
C или радиоуглерод — радиоактивный изотоп углеродас атомным ядром , содержащим 6 протонов и 8 нейтронов . Его присутствие в органических материалах лежит в основе метода радиоуглеродного датирования , впервые использованного Уиллардом Либби и его коллегами (1949) для датировки археологических, геологических и гидрогеологических образцов. Углерод-14 был открыт 27 февраля 1940 года Мартином Кэменом 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 естественных изотопа углерода: углерод-12 (12
С ), составляющий 99% всего углерода на Земле; углерод-13 (13
С ), что составляет 1%; и углерод-14 (14
С ), который встречается в следовых количествах, составляя около 1 или 1,5 атома на 10 12 атомов углерода в атмосфере. Углерод-12 и углерод-13 стабильны, тогда 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 ) посредством бета-распада . [6] Грамм углерода, содержащий 1 атом углерода-14 на 10 12 атомов, будет испускать ~0,2 [7] бета-частиц в секунду. Основным естественным источником углерода-14 на Земле является воздействие космических лучей на азот в атмосфере, поэтому он является космогенным нуклидом . Однако этому способствовали ядерные испытания под открытым небом в период с 1955 по 1980 год.
Различные изотопы углерода существенно не различаются по своим химическим свойствам. Это сходство используется в химических и биологических исследованиях, в методе, называемом углеродной маркировкой : атомы углерода-14 можно использовать 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, а 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 радиации, прошедшей через омертвевший слой кожи , оценивается в 0,11. Небольшие количества углерода-14 нелегко обнаружить обычными детекторами Гейгера-Мюллера (GM) ; по оценкам, детекторы ГМ обычно не обнаруживают загрязнение со скоростью менее 100 000 распадов в минуту (0,05 мкКи). Жидкостный сцинтилляционный счетчик является предпочтительным методом [9] , хотя в последнее время методом выбора стала масс-спектрометрия на ускорителе; он подсчитывает все атомы углерода-14 в образце, а не только те немногие, которые распались во время измерений; поэтому его можно использовать с образцами гораздо меньшего размера (например, с отдельными семенами растений), и он дает результаты гораздо быстрее. Эффективность подсчета GM оценивается в 3%. Половинный слой в воде составляет 0,05 мм. [10]
Радиоуглеродное датирование — это метод радиометрического датирования , в котором используется (14
в ) для определения возраста углеродистых материалов примерно до 60 000 лет. Методика была разработана Уиллардом Либби и его коллегами в 1949 году [11] во время его пребывания на посту профессора Чикагского университета . Либби подсчитала, что радиоактивность обменного углерода-14 составит около 14 распадов в минуту (dpm) на грамм чистого углерода, и эта активность до сих пор используется в качестве активности современного радиоуглеродного стандарта . [12] [13] В 1960 году за эту работу Либби была удостоена Нобелевской премии по химии .
Одним из частых применений этого метода является датировка органических останков из археологических памятников. Растения фиксируют атмосферный углерод в процессе фотосинтеза, поэтому уровень14
С у растений и животных при их гибели примерно равен уровню14
C в атмосфере в это время. Однако впоследствии он уменьшается из-за радиоактивного распада, что позволяет оценить дату смерти или фиксации. Начальный14
Уровень C для расчета можно либо оценить, либо напрямую сравнить с известными годовыми данными по годичным кольцам ( дендрохронология ) до 10 000 лет назад (с использованием перекрывающихся данных по живым и мертвым деревьям в данной области), или же из пещерных отложений ( спелеотемов ) примерно за 45 000 лет до настоящего времени. Расчет или (более точно) прямое сравнение уровней углерода-14 в образце с уровнями углерода-14 в годичных кольцах или пещерах известного возраста дает затем возраст образца древесины или животного с момента образования. Радиоуглерод также используется для обнаружения нарушений природных экосистем; например, в торфяных ландшафтах 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 верхних слоях тропосферы и стратосфере за счет тепловых нейтронов, поглощаемых атомами азота . Когда космические лучи попадают в атмосферу, они претерпевают различные преобразования, включая образование нейтронов . Образующиеся нейтроны (n) участвуют в следующей np- реакции (p — протон ):
Самая высокая скорость производства углерода-14 наблюдается на высоте от 9 до 15 километров (от 30 000 до 49 000 футов) и в высоких геомагнитных широтах .
Скорость14
Производство углерода можно смоделировать, получив значения 16 400 [18] или 18 800 [19] атомов14
C в секунду на квадратный метр поверхности Земли, что согласуется с глобальным балансом углерода , который можно использовать для обратного отслеживания [20] , но попытки измерить время производства непосредственно на месте оказались не очень успешными. Темпы производства варьируются из-за изменений потока космических лучей, вызванных модуляцией гелиосферы (солнечного ветра и солнечного магнитного поля) и, что очень важно, из-за изменений магнитного поля Земли . Однако изменения в углеродном цикле могут затруднить выделение и количественную оценку таких эффектов.[20] [21]
Иногда могут возникать всплески; например, есть свидетельства необычно высокого уровня производства в 774–775 годах нашей эры [ 22] , вызванного экстремальным событием с солнечными энергетическими частицами, самым сильным событием такого рода, произошедшим за последние десять тысячелетий. [23] [24] Еще один «необычайно большой»14
Увеличение C (2%) было связано с событием 5480 г. до н.э., которое вряд ли было событием, связанным с солнечными энергетическими частицами. [25]
Углерод-14 также может производиться молнией [26] [27] , но в ничтожных количествах во всем мире по сравнению с производством космических лучей. Локальные эффекты облачно-земных выбросов через остатки проб неясны, но, возможно, существенны.
Углерод-14 также может быть получен в результате других нейтронных реакций, в том числе13С (n,γ)14
С и17О (n,α)14
C с тепловыми нейтронами и15Н (н, д)14
С и16На ,3
Он )14
C с быстрыми нейтронами . [28] Наиболее известные маршруты14
Получение углерода при облучении мишеней тепловыми нейтронами (например, в ядерном реакторе) суммировано в таблице.
Углерод-14 также может быть радиогенным ( кластерный распад223
Ра ,224
Ра ,226
Ра ). Однако такое происхождение встречается крайне редко.
Наземные ядерные испытания , произошедшие в ряде стран в период с 1955 по 1980 год (см. список ядерных испытаний), резко увеличили количество углерода-14 в атмосфере, а затем и в биосфере; после окончания испытаний концентрация изотопа в атмосфере начала снижаться, так как радиоактивный CO 2 фиксировался в тканях растений и животных, а также растворялся в океанах.
Одним из побочных эффектов изменения содержания углерода-14 в атмосфере является то, что это позволило использовать некоторые варианты (например, датирование с помощью импульса бомбы [33] ) для определения года рождения человека, в частности, количества углерода-14 в зубах . эмаль , [34] [35] или концентрация углерода-14 в хрусталике глаза. [36]
В 2019 году журнал Scientific American сообщил, что углерод-14 в результате 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 , выражаемая 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 надземного уровня. Ядерные испытания 1950-х и 1960-х годов. [38] [39] Хотя дополнительные атомы углерода-14, образовавшиеся в ходе этих ядерных испытаний, не исчезли из атмосферы, океанов и биосферы, [40] они разбавляются из-за эффекта Зюсса .
Углерод-14 производится в теплоносителе реакторов с кипящей водой (BWR) и реакторов с водой под давлением (PWR). Обычно он выбрасывается в атмосферу в виде диоксида углерода на реакторах BWR и метана на реакторах PWR. [41] Передовая практика управления выбросами углерода-14 операторами атомных электростанций включает выбросы в ночное время, когда станции не фотосинтезируют . [42] Углерод-14 также образуется 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 14 выделяется, например, в виде CO 2 во время PUREX . [43] [44]
После образования в верхних слоях атмосферы атомы углерода-14 быстро реагируют с образованием большей части (около 93%)14
CO ( окись углерода ), который впоследствии окисляется с более медленной скоростью, образуя14
СО
2, радиоактивный углекислый газ . Газ быстро смешивается и равномерно распределяется по атмосфере (время смешивания 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
2по оценкам, в северном полушарии составляет примерно от 12 до 16 лет. Перенос между мелким слоем океана и крупным резервуаром бикарбонатов в глубинах океана происходит с ограниченной скоростью. [29]
В 2009 году деятельность14
C составлял 238 Бк/кг углерода свежего земного биовещества, что близко к значениям до атмосферных ядерных испытаний (226 Бк/кг C; 1950 г.). [45]
Запасы углерода-14 в биосфере Земли составляют около 300 мегакюри (11 Э Бк ), большая часть которого находится в океанах. [46] Приведен следующий перечень углерода-14: [47]
Многие химические вещества, созданные человеком, производятся из ископаемого топлива (например, нефти или угля ), в котором14
C сильно обеднен, потому что возраст окаменелостей намного превышает период полураспада14
С. 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]
Датировать конкретный образец окаменелого углеродистого материала сложнее. Такие отложения часто содержат следовые количества углерода-14. Эти количества могут значительно различаться в разных образцах и составлять до 1% от соотношения, обнаруженного в живых организмах, - концентрация, сравнимая с предполагаемым возрастом в 40 000 лет. [49] Это может указывать на возможное заражение небольшим количеством бактерий, подземных источников радиации, вызывающих14
Н (н,п)14
Реакция C , прямой распад урана (хотя сообщалось об измеренных соотношениях14
C /U в урансодержащих рудах [50] предполагает примерно 1 атом урана на каждые два атома углерода, чтобы вызвать14
С /12
Коэффициент C , по измерениям, 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 пластах. В связи со строительством солнечной нейтринной обсерватории «Борексино» получено нефтяное сырье (для синтеза первичного сцинтиллята) с низкими температурами.14
Содержание С. В испытательном стенде для подсчета голосов в Борексино14
С /12
Определено соотношение C 1,94×10 -18 ; [51] возможные реакции, ответственные за различные уровни14
C в различных нефтяных пластах , а нижняя14
Уровни углерода в метане обсуждались Bonvicini et al. [52]
Поскольку многие источники пищи для человека в конечном итоге получены из наземных растений, относительная концентрация углерода-14 в организме человека почти идентична относительной концентрации в атмосфере. Скорость распада калия-40 и углерода-14 в нормальном взрослом организме сопоставима (несколько тысяч распадающихся ядер в секунду). [53] Бета-распады внешнего (окружающего) радиоуглерода вносят вклад примерно в 0,01 мЗв /год (1 мбэр/год) в дозу ионизирующего излучения каждого человека . [54] Это немного по сравнению с дозами от калия-40 (0,39 мЗв/год) и радона (переменная).
Углерод-14 может быть использован в качестве радиоактивного индикатора в медицине. В начальном варианте уреазного дыхательного теста , диагностического теста на Helicobacter pylori , пациенту подается мочевина, меченная приблизительно 37 кБк (1,0 мкКи ) углерода-14 (т.е. 37 000 распадов в секунду). В случае инфекции H. pylori бактериальный фермент уреаза расщепляет мочевину на аммиак и радиоактивно меченный углекислый газ , что можно обнаружить путем подсчета дыхания пациента. [55]
Весь остальной углекислый газ в атмосфере 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, образующегося при сжигании ископаемого топлива.
Ученые могут использовать измерения 14C, чтобы определить возраст углекислого газа, собранного в пробах воздуха, и на основании этого рассчитать, какая доля углекислого газа в образце поступает из ископаемого топлива.