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 14 N(n , p ) 14 C . В 1940 году углерод-14 смогли выделить американские физики Мартин Дэвид Кеймен и Самуэл Рубен, облучавшие на циклотроне графитовую мишень дейтронами ; 14 C образовывался в реакции 13 C(d , p ) 14 C . Его период полураспада был установлен позже (Мартин Кеймен в своих первых экспериментах получил 2700 и 4000 лет , 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 и основано на пяти экспериментах по измерению удельной активности, проведённых в 1960-х годах .

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:

0 1 n + 7 14 N → 6 14 C + 1 1 H . {\displaystyle \mathrm {~_{0}^{1}n} +\mathrm {~_{7}^{14}N} \rightarrow \mathrm {~_{6}^{14}C} +\mathrm {~_{1}^{1}H} .}

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 224 Ra (ряд тория), 223 Ra (ряд урана-актиния), 226 Ra (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 221 Fr , 221 Ra , 222 Ra и 225 Ac). Скорость образования радиогенного углерода-14 по этому каналу пренебрежимо мала по сравнению со скоростью образования космогенного углерода-14 .

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 [ 14 C]/[ 12 C] 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 14 C (так называемый эффект Зюсса) .

Ядерные реакторы, использующие воду в активной зоне, также являются источником техногенного загрязнения углеродом-14 .

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 ) .

Распад

6 14 C → 7 14 N + e − + ν ¯ e . {\displaystyle \mathrm {~_{6}^{14}C} \rightarrow \mathrm {~_{7}^{14}N} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}.}

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) . Средняя 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) .

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 1:10 12 . Как и обычный углерод , 14 C 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 [ 14 C]: [ 13 C]: [ 12 C] сохраняются практически такими же, как в атмосфере; изотопное фракционирование в биохимических реакциях изменяет эти соотношения лишь на несколько промилле, что может быть учтено .

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 .

В медицине

Используется для определения заражения желудочно-кишечного тракта Helicobacter pylori . Пациенту дают препарат мочевины с содержанием 14 C. В случае инфекции H.pylori бактериальный фермент уреазы разрушает мочевину в аммиак и радиоактивно меченый углекислый газ, который может быть обнаружен в дыхании пациента . Сегодня тест на основе меченых атомов 14 C стараются заменять на тест со стабильным 13 C, который не связан с радиационными рисками.

В России фармпрепараты на основе 14 C производит .

См. также

Примечания

1. 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 . - Bibcode : 2003NuPhA.729..337A .
2. 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 . - Bibcode : 2017ChPhC..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. (1963). “Early History of Carbon-14: Discovery of this supremely important tracer was expected in the physical sense but not in the chemical sense”. Science . 140 (3567): 584-590. Bibcode :1963Sci...140..584K . DOI :10.1126/science.140.3567.584 . PMID .
5. Martin David Kamen. «Radiant science, dark politics: a memoir of the nuclear age».
6. Bé M.M., Chechev V. P. 14 C - Comments on evaluation of decay data (неопр.) . www.nucleide.org . LNHB. Дата обращения 8 июня 2018. Архивировано 22 ноября 2016 года.
7. Kovaltsov G. A., Mishev A., Usoskin I. G. (2012). “A new model of cosmogenic production of radiocarbon 14 C in the atmosphere”. Earth and Planetary Science Letters . 337-338: 114-120. arXiv :1206.6974 .

Все обо всем. Том 5 Ликум Аркадий

Как используют углерод-14 для определения возраста предметов?

Все живые существа содержат углерод. В их состав также входит небольшое количество углерода-14, радиоактивной разновидности углерода. Используя углерод-14, ученые могут определить возраст дерева, предметов одежды и всего, что было когда-то живым. Использование углерода-14 с этой целью называется установлением возраста радиоактивным путем. Радиоактивный углерод помогает определить возраст предметов, которым до 50 000 лет. Скорость, с которой распадаются радиоактивные элементы, называется периодом полураспада.

Период полураспада - это время, за которое распадается половина атомов элемента. Период полураспада углерода-14 около 5500 лет. Это означает, что через 5500 лет после смерти животного или растения в погибших организмах останется только половина находившегося в них первоначально атомов углерода-14. После 11 000 лет только четверть, через 16 500 лет - восьмая часть изначального количества и так далее.

Предположим, что в древней гробнице обнаружен кусок старого дерева. В лаборатории его можно нагреть и превратить в углерод, или сжечь с выделением различных газов, содержащих углекислый газ. Углерод или углекислый газ содержат несколько атомов углерода-14. Эти атомы распадаются. При распаде крохотные частички с большой скоростью покидают атом. Углерод или углекислый газ помещают в очень чувствительный прибор, который называется счетчиком Гейгера. Он учитывает частички, отдаваемые атомами углерода-14. Исходя из количества этих частичек, ученые делают заключение о количестве углерода-14 в образце.

Ученые знают, какое количество углерода-14 содержится в таком же количестве живого дерева. Сравнивая эту с цифру с количеством углерода-14, оставшегося в древнем образце, ученые называют возраст дерева. Например, если найденное древнее дерево содержит половину от количества атомов углерода-14, содержащегося в живом дереве, то образцу около 5500 лет.

Из книги Большая Советская Энциклопедия (УГ) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ЧЕ) автора БСЭ

Из книги Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина] автора

Как законы Менделя используют в тестах на установление отцовства? Генетики установили, что все четыре группы крови передаются по наследству в полном соответствии с законами Менделя. По всей видимости, существуют три аллели (возможные структурные состояния гена),

Из книги Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное] автора Кондрашов Анатолий Павлович

Почему в США (в отличие от России) не используют название «никотиновая кислота»? Ассоциацию американских врачей обеспокоил тот факт, что из-за схожести названий никотиновой кислоты и никотина общественность может решить, что табак является источником витаминов. Поэтому

Из книги Все обо всем. Том 3 автора Ликум Аркадий

Почему для передачи и распределения электрической энергии используют преимущественно переменный ток, а не постоянный? На заре электроэнергетики, когда маломощные генераторы электрического тока располагались на небольших расстояниях от потребителей (нередко в

Из книги 3333 каверзных вопроса и ответа автора Кондрашов Анатолий Павлович

В какой стране наиболее интенсивно используют сталь? В этом отношении лидером является Япония. По статистическим данным, на конец ХХ века в среднем за год расходуется в виде различных изделий (считая арматуру для железобетона, пошедшего на строительство разных

Из книги Все обо всем. Том 5 автора Ликум Аркадий

Из книги Новейшая книга фактов. Том 1. Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина автора Кондрашов Анатолий Павлович

Как используют промышленный мусор в Японии? Промышленный мусор в Японии используют весьма оригинально: из него возводят искусственные острова в

Из книги Я познаю мир. Криминалистика автора Малашкина М. М.

Что такое углерод? Углерод - это химический элемент, имеющий чрезвычайно важное значение для любого живого существа. Во всей материи, существующей на Земле, на его долю приходится менее одного процента, однако он содержится в любом организме, живом или уже мертвом. Тело

Из книги Кто есть кто в мире природы автора Ситников Виталий Павлович

Как давно люди используют дерево в качестве строительного материала и топлива? Самое древнее свидетельство применения дерева в качестве строительного материала обнаружено в окрестностях водопада Каламбо в Танзании. Возраст этой находки оценивают приблизительно в 60

Из книги Спецслужбы и войска особого назначения автора Кочеткова Полина Владимировна

Как используют углерод-14 для определения возраста предметов? Все живые существа содержат углерод. В их состав также входит небольшое количество углерода-14, радиоактивной разновидности углерода. Используя углерод-14, ученые могут определить возраст дерева, предметов Из книги автора

Как используют кацусту? В промышленности разные сорта капусты применяют при изготовлении детского питания, производства полуфабрикатов супов, готовых блюд. В домашних условиях капуста незаменима для приготовления разнообразнейших кушаний, входит в состав многих

Из книги автора

«ЕСЛИ ТЫ НЕ ИСПОЛЬЗУЕШЬ ДРУГИХ ЛЮДЕЙ, ОНИ ИСПОЛЬЗУЮТ ТЕБЯ…» Советский представитель в ООН оказался «кротом» ЦРУ Предлагаемые вашему вниманию отрывки из книги «Любовница перебежчика» принадлежат перу Джуди Чейвез - профессиональной проститутки, за услуги которой

> Углерод-14

Характеристика и свойства радиоактивного углерода-14. Читайте, как использовать период полураспада изотопов углерода-14 в радиоуглеродном датировании, история.

Углерод-14 – радиотермический способ датирования, применяющий радиоизотопный углерод-14 для того, чтобы оценить возраст объекта.

Задача обучения

• Научиться определять возраст материалов радиоуглеродным датированием.

Основные пункты

• Углерод-14 срабатывает в оценке возраста материалов с углеродами до 58000-62000 лет.
• Если не постоянное поступление космических лучей, то изотоп углерода-14 исчезнет через миллион лет.
• Наиболее частое применение этого метода – оценка возраста органических остатков в археологии.

Термины

• Радиоизотоп – радиоактивный изотоп элемента.
• Углерод-14 – радиоактивный изотоп углерода, в ядре которого вмещается 6 протонов и 8 нейтронов.
• Радиоуглеродное датирование – характеристика объектов, основанная на сравнении наблюдаемого изобилия радиоактивного изотопа и продуктов его распада.

Радиоуглеродное датирование – радиометрический способ датирования. В нем применяется радиоизотопный углерод-14, с чьей помощью определяют возраст содержащих углерод материалов до 58000-62000 лет.

Углерод обладает двумя устойчивыми лишенными радиоактивности изотопами: углерод-12 и углерод-13. Есть также отметки радиоактивного углерода-14. У последнего наблюдается короткий период полураспада (5730 лет), а значит за это время из-за радиоактивного распада его часть уменьшится вдвое. Если бы не постоянное воздействие космических лучей на атмосферу, углерод-14 исчез за миллион лет.

Диаграмма формирования углерода-14 (1), распад (2) и формула для углерода-12

Во время фотосинтеза растения фиксируют атмосферный углекислый газ (СО 2) в органических соединениях. Поэтому полученная фракция изотопа 14С в растительной фазе будет такой же как изотоп в атмосфере. Если растение умирает или съедается, то активность всех изотопов прекращается. Концентрация С14 снижается с экспоненциальной скоростью. При сравнении оставшейся доли С14 с ожидаемой атмосферной, можно вывести возраст образца.

Некалиброванные радиоуглеродные периоды передаются в радиоуглеродных годах – СЕ 1950. Потом их рассматривают детально, чтобы дать точные календарные даты. Чаще всего, радиоуглеродное датирование используют в археологических целях – оценка возраста органических остатков.

За изобретение радиоуглеродного датирования отвечает Виллард Либби (1949 год). Говорили, что идею предложил Энрико Ферми. По оценкам Либби радиоактивность углерода-14 составляет примерно 14 дезинтеграций в минуту на грамм. В 1960 году за свои исследования он получил Нобелевскую премию. Ему удалось доказать точность радиоуглеродного датирования на примере оценки возраста древнего египетского судна – 1850 год до н.э.

Радиоактивный изотоп углерода 14 С образуется в основном в верхних слоях земной атмосферы под действием быстрых нейтронов на природный азот по реакции 14 N(n,p) 14 C. Ядра,4 С распадаются с испусканием (3-частиц с максимальной энергией 156 кэВ. Период полураспада углерода-14 равен 5730 ± 30 лет.

В атмосфере образуется 3,4 10 26 атомов 14 С в год. Между его образованием и распадом всегда существовало равновесие, благодаря которому постоянно поддерживалась удельная активность углерода, свойственная живой материи. В смеси природных изотопов углерода на долю 14 С приходится 1,8 10 -10 %, что соответствует 0,23 Бк/г . В живых организмах происходят процессы обмена веществ, благодаря которым поддерживаетКосмогенные радионуклиды, образующиеся в атмосфере

Таблица 3.5

Радионуклид	Период полураспада	Характер распада, энергия частиц, МэВ	Удельная активность в воздухе, Бк/10 3 м 3	Концентрация в атмосферных выпадениях, Бк/10 3 л
	2,6 10 6 лет	Р (0.553) у (0.48)		(4 - 40) 10~ 5
		р + (95%)(0,54) Э.з*. (5%); у (1,28)
		Р (1,37; 4,17) У (1,37; 2,75)
37 Аг		Э.з., у (0,815)
41 Аг		Р (1,245; 2,55)
		Э.з., р (0,716)
		р (1,11; 2,77; 4,81) у (1,60; 2,12)
		р (1,65; 2,90) у (0,36; 1,31)
		Р (0,15; 0,7) у (0,15; 0.54)

* Э.з - электронный захват.

ся равновесная концентрация 14 С. После гибели организма обмен с окружающей средой прекращается, и запасы 14 С больше не пополняются. Археологи, находя останки древних растений, животных или человека, могут по соотношению 14 С и общего содержания углерода в найденных пробах установить возраст этих останков. Очевидно, при отборе проб для углеродного датирования важно в любом случае обеспечить изоляцию отбираемых проб от контакта с современным углеродом (в частности, со всегда присутствующим в воздухе газообразным диоксидом углерода), так как незначительная примесь современного углерода в исследуемой пробе может существенно исказить результаты датирования.

До 1850 г. радиоактивность сохранялась на уровне 13,5 распадов в минуту на 1 г углерода с некоторыми отклонениями от этой величины. Однако по крайней мере дважды после 1850 г. существовавшее равновесие подвергалось нарушениям .

Первый раз это произошло в связи с интенсификацией использования ископаемых горючих материалов в качестве источников энергии (каменный уголь, нефть, природный газ), что привело к выбросу в атмосферу больших количеств диоксида углерода, не содержавшего радиоактивный углерод в силу древнего происхождения этих горючих материалов (соединения с «мертвым углеродом»). Эти выбросы снизили содержание углеро- да-14 в диоксиде углерода атмосферы (эффект Зюсса) }