Kulstof-14

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 18. juni 2022; verifikation kræver 1 redigering .
Kulstof-14
Navn, symbol Kulstof-14,  14 C
Alternative titler radiocarbon, radiocarbon
Neutroner otte
Nuklidegenskaber
Atommasse 14.003241989(4) [1]  a. spise.
massefejl 3019.893(4) [1]  k eV
Specifik bindingsenergi (pr. nukleon) 7520.3198(4) [1]  keV
Halvt liv 5,70(3)⋅10 3 [2] år
Forfaldsprodukter 14 N
Spin og paritet af kernen 0 + [2]
Decay kanal Nedbrydningsenergi
β - 0,1564765(37) [ 1]  MeV
Tabel over nuklider
 Mediefiler på Wikimedia Commons

Carbon-14 ( 14 C, navnene radiocarbon , radiocarbon og forkortelsen C-14 bruges også) er et radioaktivt nuklid af det kemiske grundstof kulstof med atomnummer 6 og massenummer 14.

Discovery

Kulstof-14 er en af ​​de naturlige radioaktive isotoper. De første indikationer på dens eksistens blev opnået i 1936, da britiske fysikere W. Birch og M. Goldhaber bestrålede nitrogen-14 kerner med langsomme neutroner i en fotografisk emulsion og opdagede reaktionen 14 N( n , p ) 14 C [3] . I 1940 var de amerikanske fysikere Martin David Kamen og Samuel Reuben i stand til at isolere kulstof-14 ved at bestråle et grafitmål med deuteroner på en cyklotron ; 14 C blev dannet i reaktionen 13 C( d , p ) 14 C [4] . Dens halveringstid blev fastlagt senere (Martin Kamen fik i sine første eksperimenter 2700 og 4000 år [5] , Willard Libby i 1951 tog en halveringstid på 5568 ± 30 år ). Den nuværende anbefalede halveringstid på 5,70 ± 0,3 tusinde år er angivet i Nubase-2020-databasen [2] og er baseret på fem specifikke aktivitetsmålinger udført i 1960'erne [6] .

Uddannelse

Kulstof-14 dannes i den øvre troposfære og stratosfæren som et resultat af absorptionen af ​​termiske neutroner af nitrogen-14 atomer , som igen er resultatet af samspillet mellem kosmiske stråler og atmosfærisk stof:

Tværsnittet af processen 14 N(n, p) 14 C er ret højt ( 1,83 barn ). Det er 25 gange højere end tværsnittet af den konkurrerende proces, strålingsindfangning af en termisk neutron 14 N(n, γ ) 15 N . Der er andre reaktioner, der skaber kosmogent kulstof-14 i atmosfæren, især 13 C(n,γ) 14 C og 17 O(n,α) 14 C. Men deres hastighed er meget lavere på grund af den lavere forekomst af initiale nuklider og mindre reaktionstværsnit.

Kulstof-14 dannes med den højeste hastighed i en højde af 9 til 15 km på høje geomagnetiske breddegrader, men så er det jævnt fordelt i atmosfæren. Der dannes i gennemsnit 16.400 til 18.800 kulstof-14- atomer i sekundet over hver kvadratmeter af jordens overflade [7] [8] , selvom dannelseshastigheden kan svinge afhængigt af solaktivitet og andre faktorer. Skarpe og korte stigninger i produktionshastigheden på 14 C ( Miyake-begivenheder ) er blevet fundet, formentlig forbundet med et meget kraftigt soludbrud eller nærliggende gammastråleudbrud , for eksempel en begivenhed i 774 e.Kr. e. når mere end tre gange mere radiocarbon optrådte i atmosfæren ad gangen, end gennemsnittet dannes på et år.

En anden naturlig kanal for dannelsen af ​​kulstof-14 er klyngehenfald af nogle tunge kerner, der er en del af den radioaktive serie , hvilket sker med meget lav sandsynlighed . På nuværende tidspunkt er der påvist henfald med emission af kulstof-14-kerner 224 Ra (thorium-serien), 223 Ra (uran-actinium-serien), 226 Ra (uran-radium-serien); en lignende proces blev forudsagt, men ikke eksperimentelt påvist, for andre naturlige tunge kerner (klyngemission af kulstof-14 blev også fundet for nukliderne 221 Fr , 221 Ra , 222 Ra og 225 Ac , som er fraværende i naturen ). Hastigheden for dannelse af radiogent kulstof-14 gennem denne kanal er ubetydelig sammenlignet med hastigheden for dannelse af kosmogent kulstof-14 [9] .

Under forsøg med atom- og især termonukleare våben i atmosfæren i 1940'erne-1960'erne blev kulstof-14 intensivt dannet som følge af bestråling af atmosfærisk nitrogen med termiske neutroner fra nukleare og termonukleare eksplosioner. Som et resultat steg indholdet af kulstof-14 i atmosfæren meget (den såkaldte "bombetop", se fig.), men begyndte efterfølgende gradvist at vende tilbage til sine tidligere værdier på grund af udslip i havet og andre reservoirer. En anden teknologisk proces, som påvirkede det gennemsnitlige [ 14 C]/[ 12 C] forhold i atmosfæren, virker i retning af at sænke denne værdi: med begyndelsen af ​​industrialiseringen (XVIII århundrede), afbrænding af kul, olie og naturgas steget betydeligt, det vil sige udgivelsen til atmosfæren af ​​gammelt fossilt kulstof, der ikke indeholder 14 C (den såkaldte Suess-effekt ) [10] .

Atomreaktorer, der bruger vand i kernen, er også en kilde til menneskeskabt kulstof-14-forurening [11] [12] , såvel som grafitmodererede reaktorer [13] .

Den samlede mængde kulstof-14 på Jorden er anslået til 8500 peta becquerel (ca. 50 tons ), inklusive 140 PBq ( 840 kg ) i atmosfæren. Mængden af ​​kulstof-14, der frigives til atmosfæren og andre miljøer som et resultat af nukleare forsøg, er anslået til 220 PBq ( 1,3 tons ) [14] .

Decay

Kulstof-14 gennemgår β - henfald , som et resultat af henfald dannes et stabilt nuklid 14 N (frigivet energi 156.476 (4) keV [1] ):

Nedbrydningshastigheden afhænger ikke af miljøets kemiske og fysiske egenskaber. Et gram atmosfærisk kulstof indeholder omkring 1,5×10 −12 g kulstof-14 og udsender omkring 0,6 beta-partikler i sekundet på grund af henfaldet af denne isotop. Det skal bemærkes, at kulstof-14 henfalder med samme hastighed i den menneskelige krop; Hvert sekund sker der flere tusinde henfald i menneskekroppen. På grund af den lave energi af de genererede beta-partikler er den ækvivalente dosishastighed af intern stråling modtaget gennem denne kanal (0,01 mSv /år eller 0,001 rem /år) lille sammenlignet med dosishastigheden fra intern kalium-40 (0,39 mSv/ år) år). år) [15] . Den gennemsnitlige kulstof-14- specifikke aktivitet af levende biomasse på land i 2009 var 238 Bq / kg kulstof, tæt på niveauerne før bomben ( 226 Bq/kg C ; 1950) [16] .

Biologisk rolle

Kulstof-14 er den anden (efter kalium-40 ) kilde til uaftagelig iboende radioaktivitet i den menneskelige krop [17] . Dets bidrag til radioaktiviteten af ​​en betinget gennemsnitlig menneskekrop, der vejer 70 kg, er ifølge forskellige skøn 3,1 [18] -3,7 [19] [20] kBq .

Brug

Radioisotop dating

Kulstof-14 dannes konstant i atmosfæren fra nitrogen-14 under påvirkning af kosmiske stråler. For det nuværende niveau af rumaktivitet kan det relative indhold af kulstof-14 i forhold til det "almindelige" (kulstof-12) i atmosfæren estimeres til cirka 1:10 12 . Ligesom almindeligt kulstof reagerer 14C med ilt og danner kuldioxid , som planterne har brug for under fotosyntesen . Mennesker og forskellige dyr indtager derefter planter og produkter fremstillet af dem som mad og absorberer dermed også kulstof-14. Samtidig forbliver koncentrationsforholdene for kulstofisotoper [ 14 C]: [ 13 C]: [ 12 C] praktisk talt de samme som i atmosfæren; isotopfraktionering i biokemiske reaktioner ændrer disse forhold kun med nogle få ppm, hvilket kan tages i betragtning [21] .

I en død levende organisme henfalder kulstof-14 gradvist, mens stabile kulstofisotoper forbliver uændrede. Det vil sige, at forholdet mellem isotoper ændrer sig over tid. Dette gjorde det muligt at bruge denne isotop til at bestemme alderen ved radioisotopdatering ved datering af biomaterialer og nogle uorganiske prøver op til 6000 år gamle . Det bruges oftest i arkæologi, i glacial og post-glacial geologi, såvel som i atmosfærisk fysik, geomorfologi, glaciologi, hydrologi og jordbundsvidenskab, i kosmisk strålefysik, solfysik og biologi, ikke kun til datering, men også som et sporstof af forskellige naturlige processer [21] .

I medicin

Bruges til at påvise Helicobacter pylori -infektion i mave-tarmkanalen . Patienten får et 14 C ureapræparat.Ved H. pylori-infektion nedbryder det bakterielle urease-enzym ureaet til ammoniak og radioaktivt mærket kuldioxid, som kan påvises i patientens ånde [22] [23] . I dag bliver testen baseret på mærkede 14 C-atomer erstattet af en test med stabil 13 C, som ikke er forbundet med strålingsrisici.

I Rusland produceres radiofarmaka baseret på 14 C af Obninsk-afdelingen af ​​Research Institute of Physics and Chemistry opkaldt efter L. Ya. Karpov [24] .

Radioisotop energikilder

Der er et koncept med at bruge kulstof-14 som en radioisotop energikilde. Den indeholder en 14 C diamantlignende belægning som betakilde og en ekstra normal carbonbelægning for at skabe den nødvendige halvlederforbindelse og carbon-14-indkapsling. Et sådant batteri vil generere en lille mængde elektricitet i tusinder af år [25] .

Se også

Noter

  1. ↑ 1 2 3 4 5 Meng Wang , Huang WJ , Kondev FG , Audi G. , Naimi S. The Ame2020 atomic mass evaluation (II). Tabeller, grafer og referencer  (engelsk)  // Chinese Physics C. - 2021. - Vol. 43 , udg. 3 . - P. 030003-1-030003-512 . - doi : 10.1088/1674-1137/abddaf .
  2. ↑ 1 2 3 Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. , Audi G. Nubase2020-evalueringen af ​​nukleare egenskaber  // Kinesisk fysik  C. - 2021. - Bd. 45 , iss. 3 . - P. 030001-1-030001-180 . - doi : 10.1088/1674-1137/abddae .Åben adgang
  3. ↑ Burcham WE , Goldhaber M. Nedbrydningen af ​​nitrogen ved langsomme neutroner  //  Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. - 1936. - December ( bd. 32 , nr. 04 ). - s. 632-636 . - doi : 10.1017/S0305004100019356 .
  4. ↑ Kamen MD Tidlig historie om kulstof-14: Opdagelsen af ​​dette yderst vigtige sporstof var forventet i fysisk forstand, men ikke i kemisk forstand   // Videnskab . - 1963. - Bd. 140 , nr. 3567 . - S. 584-590 . - doi : 10.1126/science.140.3567.584 . - . — PMID 17737092 .
  5. ↑ Martin David Kamen. "Strålende videnskab, mørk politik: en erindringsbog om atomalderen".
  6. ↑ Bé MM, Chechev VP 14 C - Kommentarer til evaluering af henfaldsdata . www.nucleide.org . LNHB. Hentet 8. juni 2018. Arkiveret fra originalen 22. november 2016.
  7. ↑ Kovaltsov GA, Mishev A., Usoskin IG En ny model for kosmogen produktion af radiocarbon 14 C i atmosfæren  //  Earth and Planetary Science Letters. - 2012. - Bd. 337-338 . - S. 114-120 . — ISSN 0012-821X . - doi : 10.1016/j.epsl.2012.05.036 . - . - arXiv : 1206.6974 .
  8. ↑ Poluianov SV et al. Produktion af kosmogene isotoper 7 Be, 10 Be, 14 C, 22 Na og 36 Cl i atmosfæren: Højdeprofiler af udbyttefunktioner  //  Journal of Geophysical Research: Atmospheres. - 2016. - Bd. 121 . - P. 8125-8136 . - doi : 10.1002/2016JD025034 . - arXiv : 1606.05899 .
  9. ↑ Baum EM et al. (2002). Nuklider og isotoper: Kort over nukliderne. 16. udg. Knolls Atomic Power Laboratory (Lockheed Martin).
  10. ↑ Tans PP, de Jong AFM, Mook WG Naturlig atmosfærisk 14 C variation og Suess-  effekten  // Nature . - 1979. - Bd. 280 , nr. 5725 . - s. 826-828 . - doi : 10.1038/280826a0 .
  11. ↑ EPRI | Indvirkning af atomkraftværksdrift på kulstof-14-produktion, kemiske former og frigivelse (utilgængeligt link) . www.epri.com . Hentet 7. juli 2016. Arkiveret fra originalen 18. august 2016. 
  12. ↑ EPRI | Kulstof-14-dosisberegningsmetoder på atomkraftværker (ikke tilgængeligt link) . www.epri.com . Hentet 7. juli 2016. Arkiveret fra originalen 18. august 2016. 
  13. ↑ James Conca. Radioaktive diamantbatterier: God udnyttelse af atomaffald  (engelsk) . Forbes . Dato for adgang: 26. september 2020.
  14. ↑ Choppin GR, Liljenzin JO, Rydberg J. Radiochemistry and Nuclear Chemistry  . - 3. udgave - Butterworth-Heinemann, 2002. - ISBN 978-0-7506-7463-8 .
  15. ↑ Radioaktivitet i det naturlige miljø . I: NCRP-rapport nr. 93. Ioniserende strålingseksponering af befolkningen i  USA . - Det Nationale Råd for Strålingsbeskyttelse og Målinger, 1987.
  16. ↑ Kulstof-14 og miljøet . Institut for Strålebeskyttelse og Nuklear Sikkerhed.
  17. ↑ Leenson I. A. Radioaktivitet i os  // Kemi og liv. - 2009. - Nr. 7 .
  18. ↑ Er vores kroppe radioaktive? / Health Physics Society, 2014: "...Kropsindholdet på 14 C for en person på 70 kg ville være omkring 3,08 kBq".
  19. ↑ Alikbaeva L. A., Afonin M. A. et al. En ny opslagsbog for en kemiker og teknolog: Radioaktive stoffer. - Sankt Petersborg. : Professionel, 2004. - S. 266. - 1004 s.
  20. ↑ Ilyin L. A., Kirillov V. F., Korenkov I. P. Strålingshygiejne: lærebog. for universiteter. - M. : GEOTAR-Media, 2010. - 384 s.
  21. ↑ 1 2 Levchenko V.  Radiocarbon og absolut kronologi: noter om emnet . - "Russisk binding", 18. december 2001.
  22. ↑ Årsager, procedure og forberedelse til en udåndingstest med C urea
  23. ↑ Society of Nuclear Medicine Procedureretningslinje for C-14 Urea Breath Test (PDF). snm.org (23. juni 2001). Dato for adgang: 4. juli 2007. Arkiveret fra originalen den 26. september 2007.
  24. ↑ Obninsk afdeling af NIFHI dem. L. Ya. Karpova fejrer 50 år siden lanceringen af ​​reaktoren
  25. ↑ University of Bristol. november: diamant-kraft | Nyheder og funktioner | University of  Bristol . www.bristol.ac.uk . Dato for adgang: 26. september 2020.
  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
 Isotoper af kulstof
Ustabil (mindre end en dag): 8 C: Kulstof-8 , 9 C: Kulstof-9 , 10 C: Kulstof-10 , 11 C: Kulstof-11 Stabil: 12 C: Carbon-12 , 13 C: Carbon-13 10-10.000 år: 14 C: Kulstof-14 Ustabil (mindre end en dag) : 15 C: Kulstof-15 , 16 C: Kulstof-16 , 17 C: Kulstof-17 , 18 C: Kulstof-18 , 19 C: Kulstof-19 , 20 C: Kulstof-20 , 21C : Carbon-21 , 22C : Carbon- 22
se også. Kulstof , Tabel over nuklider