Вуглярод-14

У паняцця ёсць і іншыя значэнні, гл. C14.
Вуглярод-14
Назва, сімвал Вуглярод-14, 14C
Альтэрнатыўныя назвы радыевугляро́д, радыекарбо́н
Нейтронаў 8
Уласцівасці нукліду
Атамная маса 14,003241989(4)[1] а. а. м.
Дэфект масы 3019,893(4)[1] кэВ
Перыяд паўраспаду 5,70(3)×103[2] гадоў
Прадукты распаду 14N
Спін і цотнасць ядра 0+[2]
Канал распаду Энергія распаду
β− 0,1564765(37)[1] МэВ
Табліца нуклідаў
Лагатып Вікісховішча Медыяфайлы на Вікісховішчы

Вугляро́д-14 (14C, таксама выкарыстоўваюцца назвы радыевугляро́д, радыекарбо́н і скарачэнне C-14) — радыеактыўны нуклід хімічнага элемента вуглярода з атамным нумарам 6 і масавым лікам 14.

Адкрыццё

[правіць | правіць зыходнік]

Вуглярод-14 з’яўляецца адным з прыродных радыеактыўных ізатопаў. Першыя ўказанні на яго існаванне былі атрыманы ў 1936 годзе, калі брытанскія фізікі У. Бёрчам і М. Голдхабер абпраменьвалі павольнымі нейтронамі ядры азоту-14 у фотаэмульсіі і выявілі рэакцыю 14N(n,p)14C[3]. У 1940 годзе вуглярод-14 змаглі выдзеліць амерыканскія фізікі Марцін Дэвід Кеймен і Самуэл Рубен, якія абпраменьвалі на цыклатроне графітовую мішэнь дэйтронамі; 14C утвараўся ў рэакцыі 13C(d,p)14C[4]. Яго перыяд паўраспаду быў усталяваны пазней (Марцін Кеймен у сваіх першых эксперыментах атрымаў 2700 і 4000 гадоў[5], Уілард Лібі у 1951 годзе прыняў перыяд паўраспаду ў 5568 ± 30 год). Сучаснае рэкамендаванае значэнне перыяду паўраспаду 5,70 ± 0,03 тыс. год прыведзена ў базе даных Nubase-2020[2] і заснавана на пяці эксперыментах па вымярэнні ўласнай актыўнасці, праведзеных у 1960-х гадах[6].

Утварэнне

[правіць | правіць зыходнік]

Вуглярод-14 утвараецца ў верхніх слаях трапасферы і стратасферы ў выніку паглынання атамамі азоту-14 тэрмічных нейтронаў, якія ў сваю чаргу з’яўляюцца вынікам узаемадзеяння касмічных прамянёў і рэчыва атмасферы:

Сячэнне працэсу 14N(n,p)14C даволі высокае (1,83 барн). Яно ў 25 разоў вышэй, чым сячэнне канкуруючага працэсу — радыятыўнага захопу тэрмічнага нейтрона 14N(n,γ)15N. Існуюць і іншыя рэакцыі, якія ствараюць у атмасферы касмагенны вуглярод-14, у прыватнасці 13C(n,γ)14C і 17O(n,α)14C. Аднак іх хуткасць значна ніжэй з-за меншай распаўсюджанасці зыходных нуклідаў і меншых сячэнняў рэакцыі.

З найбольшай хуткасцю вуглярод-14 утвараецца на вышыні ад 9 да 15 км на высокіх геамагнітных шыратах, аднак потым ён раўнамерна размяркоўваецца па ўсёй атмасферы. У секунду над кожным квадратным метрам зямной паверхні ў сярэднім утвараецца ад 16 400 да 18 800 атамаў вугляроду-14[7][8], хоць хуткасць утварэння можа вагацца ў залежнасці ад сонечнай актыўнасці і іншых фактараў. Выяўлены рэзкія і кароткія павелічэнні хуткасці ўтварэння 14C (падзеі Міяке), мяркуецца, што звязаны з вельмі магутнай сонечнай успышкай або блізкім гамма-ўспышкам, напрыклад падзея ў 774 годзе н. э., калі ў атмасферы адначасова ўзнікла ў тры з лішнім разы больш радыевугляроду, чым у сярэднім утвараецца за год.

Яшчэ адзін прыродны канал утварэння вугляроду-14 — які адбываецца з вельмі малой імавернасцю кластэрны распад некаторых цяжкіх ядраў, якія ўваходзяць у радыеактыўныя рады. У цяперашні час выяўлены распад з эмісіяй вугляроду-14 ядраў 224Ra (рад торыя), 223Ra (рад урана-актынія), 226Ra (рад урана-радыя); прадказаны, але эксперыментальна не выяўлены аналагічны працэс для іншых прыродных цяжкіх ядраў (кластэрная эмісія вугляроду-14 выяўлена таксама для адсутных у прыродзе нуклідаў 221Fr, 221Ra, 222Ra і 225Ac). Хуткасць утварэння радыягеннага вугляроду-14 па гэтым канале нязначна малая ў параўнанні з хуткасцю ўтварэння касмагеннага вугляроду-14[9].

Пры выпрабаваннях ядзернай і асабліва тэрмаядзернай зброі ў атмасферы ў 1940—1960-х гадах вуглярод-14 інтэнсіўна ўтвараўся ў выніку абпраменьвання атмасфернага азоту тэрмічнымі нейтронамі ад ядзерных і тэрмаядзерных выбухаў. У выніку змест вугляроду-14 у атмасферы моцна ўзрос (так званы «бомбавы пік», гл. мал.), аднак пасля стаў паступова вяртацца да ранейшых значэнняў з-за сыходу ў акіян і іншыя рэзервуары. Іншы тэхнагенны працэс, які паўплываў на сярэдняе стаўленне [14C]/[12C] у атмасферы, дзейнічае ў напрамку памяншэння гэтай велічыні: з пачаткам індустрыялізацыі (XVIII стагоддзе) значна павялічылася спальванне вугалю, нафты і прыроднага газу, гэта значыць выкід у атмасферу старажытнага карыснага вугляроду, які не змяшчае 14C (так званы эфект Зюсса[en])[10].

Ядзерныя рэактары, якія выкарыстоўваюць ваду ў актыўнай зоне, таксама з’яўляюцца крыніцай тэхнагеннага забруджвання вугляродам-14[11][12], таксама як і рэактары з графітавай запавольнікам[13].

Агульная колькасць вугляроду-14 на Зямлі ацэньваецца ў 8500 петабекерэляў (каля 50 тон), у тым ліку ў атмасферы 140 ПБк (840 кг). Колькасць вугляроду-14, які трапіў у атмасферу і іншыя асяроддзі ў выніку ядзерных выпрабаванняў, ацэньваецца ў 220 ПБк (1,3 тоны)[14].

Распад

[правіць | правіць зыходнік]

Вуглярод-14 падвяргаецца β−-распаду, у выніку распаду ўтвараецца стабільны нуклід 14N (вылучаная энергія 156,476(4) кэВ[1]):

Хуткасць распаду не залежыць ад хімічных і фізічных уласцівасцей асяроддзя. Грам атмасфернага вугляроду змяшчае каля 1,5×10−12 г вугляроду-14 і выпраменьвае каля 0,6 бэта-часціц у секунду за кошт распаду гэтага ізатопа. З такой жа хуткасцю вуглярод-14 распадаецца і ў чалавечым целе; кожную секунду ў арганізме чалавека адбываецца некалькі тысяч распадаў. Улічваючы малую энергію ўтварэння бэта-часціц, магутнасць эквівалентнай дозы ўнутранага апраменьвання, атрымліваемага па гэтым канале (0,01 мЗв/год, або 0,001 бэр/год), нязначная ў параўнанні з магутнасцю дозы ад унутранага калія-40 (0,39 мЗв/год)[15]. Сярэдняя удзельная актыўнасць вугляроду-14 жывой біямасы на сушы ў 2009 годзе складала 238 Бк на 1 кг вугляроду, блізка да значэнняў да бомбавы піка (226 Бк/кг C; 1950)[16].

Біялагічная роля

[правіць | правіць зыходнік]

Вуглярод-14 з’яўляецца другой (пасля калія-40) па значнасці крыніцай непазбежнай уласнай радыеактыўнасці чалавечага арганізма[17]. Яго ўклад у радыеактыўнасць умоўнага сярэдняга чалавечага цела масай 70 кг па розных ацэнках складае 3,1[18]—3,7[19][20] кБк.

Выкарыстанне

[правіць | правіць зыходнік]

Радыеізатопнае датаванне

[правіць | правіць зыходнік]
Асноўны артыкул: Радыевугляроднае датаванне

Вуглярод-14 пастаянна ўтвараецца ў атмасферы з азоту-14 пад уздзеяннем касмічных прамянёў. Для сучаснага ўзроўню касмічнай актыўнасці можна ацаніць адноснае ўтрыманне вугляроду-14 у параўнанні са «звычайным» (вугляродам-12) у атмасферы як прыблізна 1:1012. Як і звычайны вуглярод, 14C уступае ў рэакцыю з кіслародам, утвараючы вуглякіслы газ, які патрэбны раслінам у працэсе фотасінтэзу. Людзі і розныя жывёлы затым спажываюць расліны і вырабленыя з іх прадукты ў ежу, засвойваючы такім чынам і вуглярод-14. Пры гэтым суадносіны канцэнтрацый ізатопаў вугляроду [14C]: [13C]: [12C] застаюцца практычна такімі ж, як у атмасферы; ізатопнае фракцыяніраванне ў біяхімічных рэакцыях змяняе гэтыя суадносіны толькі на некалькі праміле, што можа быць улічана[21].

У памерлым жывым арганізме вуглярод-14 паступова распадаецца, а стабільныя ізатопы вугляроду застаюцца без змен. Гэта значыць суадносіны ізатопаў змяняюцца з цягам часу. Гэта дазволіла выкарыстоўваць гэты ізатоп для вызначэння ўзросту метадам радыеізатопнага датавання пры датаванні біяматэрыялаў і некаторых неарганічных узораў узростам да 60 000 гадоў. Найбольш часта выкарыстоўваецца ў археалогіі, у ледніковай і пасляледніковай геалогіі, а таксама ў фізіцы атмасферы, геамарфалогіі, гляцыялогіі, гідралогіі і глебазнаўстве, у фізіцы касмічных прамянёў, фізіцы Сонца і ў біялогіі, не толькі для датаванняў, але і як трасёр розных прыродных працэсаў[21].

У медыцыне

[правіць | правіць зыходнік]

Выкарыстоўваецца для вызначэння заражэння страўнікава-кішачнага тракту Helicobacter pylori. Пацыенту даюць прэпарат мачавіны з утрыманнем 14C. У выпадку інфекцыі H.pylori бактэрыяльны фермент урэазы разбурае мачавіну ў аміяк і радыеактыўна пазначаны вуглякіслы газ, які можа быць выяўлены ў дыханні пацыента[22][23]. Сёння тэст на аснове пазначаных атамаў 14C стараюцца замяняць на тэст са стабільным 13C, які не звязаны з радыяцыйнымі рызыкамі.

Радыеізатопныя крыніцы энергіі

[правіць | правіць зыходнік]
Асноўны артыкул: Алмазная батарэя

Існуе канцэпцыя выкарыстання вугляроду-14 у якасці радыеізатопнай крыніцы энергіі. У ім утрымліваецца алмазападобнае пакрыццё з 14C у якасці крыніцы бэта-выпраменьвання і дадатковае такое ж пакрыццё з нармальным вугляродам для стварэння неабходнага паўправадніковага пераходу і інкапсуляцыі вугляроду-14. Такая батарэя будзе выпрацоўваць невялікую колькасць электраэнергіі на працягу тысяч гадоў[24].

Гл. таксама

[правіць | правіць зыходнік]

Крыніцы

[правіць | правіць зыходнік]
  1. ↑ а б в г Meng Wang, Huang W. J., Kondev F. G., Audi G., Naimi S. The Ame2020 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs and references(англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Т. 43. — № 3. — С. 030003-1—030003-512. — DOI:10.1088/1674-1137/abddaf
  2. ↑ а б в Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties(англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Т. 45. — № 3. — С. 030001-1—030001-180. — DOI:10.1088/1674-1137/abddaeАдкрыты доступ
  3. ↑ Burcham W. E., Goldhaber M. The disintegration of nitrogen by slow neutrons(англ.) // Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. — 1936. — December — Т. 32. — № 04. — С. 632—636. — DOI:10.1017/S0305004100019356 Архівавана з першакрыніцы 12 чэрвеня 2018.
  4. ↑ Kamen M. 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. — 1963. — Т. 140. — № 3567. — С. 584—590. — DOI:10.1126/science.140.3567.584 — Bibcode: 1963Sci...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. Архівавана з першакрыніцы 22 лістапада 2016. Праверана 8 чэрвеня 2018.
  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.) (бел.. — 2012. — Т. 337—338. — С. 114—120. — ISSN 0012-821X. — DOI:10.1016/j.epsl.2012.05.036 — Bibcode: 2012E&PSL.337..114K — arΧiv: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.) (бел.. — 2016. — Т. 121. — С. 8125—8136. — DOI:10.1002/2016JD025034 — arΧiv: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. — 1979. — Т. 280. — № 5725. — С. 826—828. — DOI:10.1038/280826a0 Архівавана з першакрыніцы 2 чэрвеня 2017.
  11. ↑ EPRI | Impact of Nuclear Power Plant Operations on Carbon-14 Generation, Chemical Forms, and Release(недаступная спасылка). www.epri.com. Архівавана з першакрыніцы 18 жніўня 2016. Праверана 7 ліпеня 2016.
  12. ↑ EPRI | Carbon-14 Dose Calculation Methods at Nuclear Power Plants(недаступная спасылка). www.epri.com. Архівавана з першакрыніцы 18 жніўня 2016. Праверана 7 ліпеня 2016.
  13. ↑ James Conca. Radioactive Diamond Batteries: Making Good Use Of Nuclear Waste (англ.). Forbes. Архівавана з першакрыніцы 29 кастрычніка 2020. Праверана 26 верасня 2020.
  14. ↑ Choppin G. R., Liljenzin J. O., Rydberg J. Radiochemistry and Nuclear Chemistry (англ.). — 3rd Ed.. — Butterworth-Heinemann, 2002. — ISBN 978-0-7506-7463-8.
  15. ↑ Radioactivity in the Natural Environment Архівавана 11 ліпеня 2007.. In: NCRP Report No. 93. Ionizing Radiation Exposure of the Population of the United States (англ.). — National Council on Radiation Protection and Measurements, 1987.
  16. ↑ Carbon-14 and the environment. Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety. Архівавана з першакрыніцы 18 красавіка 2015. Праверана 4 мая 2017.
  17. ↑ Леенсон И. А. Радиоактивность внутри нас(руск.) // Химия и жизнь. — 2009. Архівавана з першакрыніцы 16 лістапада 2020.
  18. ↑ Are Our Bodies Radioactive? Архівавана 13 чэрвеня 2015. / Health Physics Society, 2014: «…The body content of 14C for a 70-kg person would be about 3.08 kBq».
  19. ↑ Аликбаева Л. А., Афонин М. А. и др. Новый справочник химика и технолога: Радиоактивные вещества (руск.). — СПб.: Профессионал, 2004. — С. 266. — 1004 с.
  20. ↑ Ильин Л. А., Кириллов В. Ф., Коренков И. П. Радиационная гигиена : учеб. для вузов (руск.). — М: ГЭОТАР-Медиа, 2010. — 384 с.
  21. ↑ а б Левченко В. Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему. — «Русский Переплёт», 18 снежня 2001.
  22. ↑ Причины, процедура и подготовка к дыхательному тесту с С мочевиной (руск.). Архівавана з першакрыніцы 15 кастрычніка 2017. Праверана 14 кастрычніка 2017.
  23. ↑ Society of Nuclear Medicine Procedure Guideline for C-14 Urea Breath Test (PDF). snm.org (23 чэрвеня 2001). Архівавана з першакрыніцы 26 верасня 2007. Праверана 4 ліпеня 2007.
  24. ↑ University of Bristol. November: diamond-power | News and features | University of Bristol (англ.). www.bristol.ac.uk. Архівавана з першакрыніцы 20 лістапада 2022. Праверана 26 верасня 2020.