Углерод-14

Углеро́д-14 (14C, используются также названия радиоуглеро́д, радиокарбо́н и сокращение C-14) — радиоактивный нуклид химического элемента углерода с атомным номером 6 и массовым числом 14.

Углерод-14
Atmospheric radiocarbon 1954-1993.svg
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
Commons-logo.svg Медиафайлы на Викискладе

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. — Bibcode2003NuPhA.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. — Bibcode2017ChPhC..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. Early History of Carbon-14: Discovery of this supremely important tracer was expected in the physical sense but not in the chemical sense (англ.) // Science : journal. — 1963. — Vol. 140, no. 3567. — P. 584—590. — DOI:10.1126/science.140.3567.584. — Bibcode1963Sci...140..584K. — 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. Дата обращения 8 июня 2018. Архивировано 22 ноября 2016 года.
  7. Kovaltsov G. A., Mishev A., Usoskin I. G. A new model of cosmogenic production of radiocarbon 14C in the atmosphere (англ.) // Earth and Planetary Science Letters (англ.) : journal. — 2012. — Vol. 337—338. — P. 114—120. — ISSN 0012-821X. — DOI:10.1016/j.epsl.2012.05.036. — Bibcode2012E&PSL.337..114K. — arXiv:1206.6974.
  8. Poluianov S. V. et al. Production of cosmogenic isotopes 7Be, 10Be, 14C, 22Na, and 36Cl in the atmosphere: Altitudinal profiles of yield functions (англ.) // Journal of Geophysical Research: Atmospheres (англ.) : journal. — 2016. — Vol. 121. — P. 8125—8136. — DOI:10.1002/2016JD025034. — arXiv:1606.05899.
  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. Natural atmospheric 14C variation and the Suess effect (англ.) // Nature : journal. — 1979. — Vol. 280, no. 5725. — P. 826—828. — DOI:10.1038/280826a0.
  11. EPRI | Impact of Nuclear Power Plant Operations on Carbon-14 Generation, Chemical Forms, and Release (недоступная ссылка). www.epri.com. Дата обращения 14 октября 2017. Архивировано 18 августа 2016 года.
  12. EPRI | Carbon-14 Dose Calculation Methods at Nuclear Power Plants (недоступная ссылка). www.epri.com. Дата обращения 14 октября 2017. 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). Дата обращения 4 июля 2007. Архивировано 26 сентября 2007 года.
  19. Обнинский филиал НИФХИ им. Л. Я. Карпова отмечает 50 лет со дня пуска реактора