Углерод 14 период полураспада. Василенко И.Я., Осипов В.А., Рублевский В.П

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}.}

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

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 .
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 .
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 .
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 .
Martin David Kamen. «Radiant science, dark politics: a memoir of the nuclear age».
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.
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 .

University of Bristol

Физики из Университета Бристоля предложили концепцию «вечной» батареи на основе алмаза из радиоактивного изотопа - углерода-14. Период полураспада элемента составляет 5700 лет - это означает, что батарея потеряет половину своей мощности лишь через тысячи лет. Устройство также помогает частично утилизировать ядерные отходы - источником углерода-14 являются замедлители, графитовые стержни из ядерных реакторов. Концепция батареи была представлена на ежегодных лекциях в институте Кабот, о чем сообщает пресс-релиз университета.

Традиционные радиоактивные батареи, или РИТЭГи (радиоизотопные термоэлектрические генераторы), работают благодаря теплу, выделяемому в ходе распада радиоактивных элементов. Оно создает разницу температур в разных точках батареи, которую с помощью термоэлектрического эффекта преобразуют в электричество. Несмотря на небольшую эффективность таких установок - КПД составляет около четырех-пяти процентов - они способны функционировать на протяжении долгого времени. Так, благодаря РИТЭГу на основе плутония-238 «Вояджер-2» до сих пор способен передавать на Землю радиосигналы, хотя аппарат находится в полете уже почти 40 лет и его расстояние от Солнца превышает 111 астрономических единиц.

Традиционно в устройствах используются плутоний-238, стронций-90, а также изотопы кюрия, полония и другие радиоактивные частицы. Их основными источниками являются ядерные реакторы - эти изотопы являются частью радиоактивных отходов.

Существует и другой тип электрогенераторов, работающих на энергии радиоактивных распадов - бета-вольтаические генераторы . Они не требуют промежуточного превращения ионизирующего излучения в тепло. Вместо этого в устройствах возникают пары электрон-дырка при взаимодействии с электронами, выброшенными ядрами при бета-распаде. Эти пары напрямую и конвертируются в электрический ток. Как правило, для бета-вольтаических элементов используется тритий. Авторы новой идеи предложили использовать вместо него другие компоненты отходов, традиционно подлежащие утилизации, - графитовые стержни.

При работе ядерного реактора графитовые стержни опускают в активную зону для того, чтобы замедлить скорость ядерной реакции. Они способны эффективно поглощать нейтроны, выбрасываемые ядрами урана в ходе деления. После выдержки в реакторе стержни оказываются насыщены изотопом углерода-14, распадающимся путем бета-распада: испуская электрон и превращаясь в азот-14.

Ученые обратили внимание на то, что как правило углерод-14 концентрируется на внешних областях стержней. Это позволяет эффективно собирать обогащенный материал простым обжигом стержней. Углерод можно затем использовать для роста алмазов методами осаждения из газовой фазы. Выбор алмазов связан с тем, что они способны эффективно преобразовывать ионизирующее излучение в заряд. Благодаря этому их даже предлагают использовать в качестве высокопроизводительных детекторов радиации.

Для того чтобы обезопасить бета-вольтаический элемент, физики предлагают покрыть алмаз, обогащенный углеродом-14, обычным, нерадиоактивным алмазом. Это позволит сдержать большую часть излучения. Период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет - хотя изотоп не обладает высокой активностью, элемент на его основе сможет проработать тысячи лет.

Ранее аналогичные системы были предложены на основе в тысячу раз более активного изотопа: никеля-63. Его период полураспада равен 100 годам. Удельная мощность элемента, разработанного в марте этого года в МИСиС, составляла порядка 10-100 нановатт на кубический сантиметр. О своих планах по созданию электрогенератора на основе углерода-14 заявляли физики из Самарского университета, отмечая, что мощности элемента может хватить для питания маломощных датчиков. Вместо алмаза ученые предлагали использовать карбид кремния.

Помимо возможных применений в электрогенерации, радиоактивный распад углерода-14 активно используется для датирования различных объектов биологического происхождения. Изотоп генерируется с примерно одинаковой скоростью в верхних слоях атмосферы Земли - при захвате азотом «космических» нейтронов. Пока организмы живут, они накапливают в себе этот изотоп, однако после смерти последний прекращает поступать в ткани. Распад постепенно уменьшает его содержание по сравнению с стабильным углеродом-12, что и является маркером возраста объекта.

Владимир Королёв

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) /[ 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) .

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 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 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 .