Јаглерод-14

Јаглерод-14, C-14, C или радиојаглерод — радиоактивен изотоп на јаглерод со атомско јадро кое содржи 6 протони и 8 неутрони. Неговото присуство во органската материја е основата на методот на радиојаглеродното датирање, пионер на Вилард Либи и неговите соработници (1949) за датирање на археолошки, геолошки и хидрогеолошки примероци. Јаглерод-14 бил откриен на 27 февруари 1940 година од Мартин Камен и Сем Рубен во Лабораторијата за радијација на Универзитетот во Калифорнија во Беркли, Калифорнија. Неговото постоење било предложено од Франц Кури во 1934 година.
Постојат три природни изотопи на јаглерод на Земјата: јаглерод-12 (C), кој сочинува 99% од целиот јаглерод на Земјата; јаглерод-13 (C), кој сочинува 1%; и јаглерод-14 (C), кој се јавува во трагови, што сочинува околу 1-1,5 атоми на 10 атоми јаглерод во атмосферата. C и C и двете се стабилни; C е нестабилен, со полураспад години. Јаглерод-14 има специфична активност од 62,4 mCi/mmol (2,31 GBq/mmol), или 164,9 GBq/g. Јаглерод-14 се распаѓа во азот-14 преку бета-распаѓање. Еден грам јаглерод кој содржи 1 атом јаглерод-14 на 10 атоми, испушта ~ 0,2 бета (β) честички во секунда. Примарниот природен извор на јаглерод-14 на Земјата е дејството на космичките зраци на азот во атмосферата, и затоа е космоген нуклид. Сепак, јадреното тестирање на отворено помеѓу 1955 и 1980 година придонело за овој извод.
Различните изотопи на јаглерод не се разликуваат значително во нивните хемиски својства. Оваа сличност се користи во хемиско и биолошко истражување, во техника наречена означување на јаглерод: атомите на јаглерод-14 може да се користат за замена на нерадиоактивен јаглерод, со цел да се следат хемиските и биохемиските реакции кои вклучуваат атоми на јаглерод од кое било дадено органско соединение.
1 Радиоактивно распаѓање и детекција
Јаглерод-14 се подложува на бета-распаѓање :
: → + + + 0.156.5 MeV
Со емитување на електрон и електрон антинеутрино, еден од неутроните во јаглерод-14 се распаѓа на протон, а јаглерод-14 ( полураспад од години) се распаѓа во стабилниот (нерадиоактивен) изотоп азот-14.
Како и обично со бета-распадот, речиси целата енергија на распаѓање е однесена од бета честичките и неутриното. Емитираните бета честички поседуваат максимална енергија од околу 156 keV, додека нивната средна енергија е 49 keV. Овие се релативно ниски енергии; максималното поминато растојание се проценува на 22 cm во воздух и 0,27 mm во телесното ткиво. Делот од зрачењето што се пренесува преку мртвиот слој на кожата се проценува на 0,11. Мали количини на јаглерод-14 не се откриваат лесно со типични Гајгеро-милерови детектори (ГМ); се проценува дека овие детектори вообичаено нема да детектираат контаминација од помалку од околу 100.000 распаѓања во минута (0,05 μCi). Пребројувањето на течната сцинтилација е претпочитан метод иако во поново време, масената спектрометрија на забрзувачот станал метод на избор; ги брои сите атоми на јаглерод-14 во примерокот, а не само неколкуте што се распаѓаат за време на мерењата; затоа може да се употребува со многу помали примероци (малку како поединечни растителни семиња) и дава резултати многу побрзо. Ефикасноста на броењето на Гајгеро-милеровите детектори се проценува на 3%. Полуоддалечениот слој во вода е 0,05 мм.
2 Радиојаглеродно датирање
Радиојаглеродното датирање претставува метод на радиометриско датирање што користи C за да ја одреди староста на јаглеродните материјали стари до околу 60.000 години. Техниката била развиена од Вилард Либи и неговите колеги во 1949 година за време на неговиот мандат како професор на Универзитетот во Чикаго. Тој проценил дека радиоактивноста на разменливите C ќе биде околу 14 распаѓања во минута (dpm) по грам јаглерод, и тоа сè уште се употребува како активност на ''современиот радиојаглероден стандард'' . Во 1960 година, Либи ја добил Нобеловата награда за хемија за оваа работа.
Една од честите употреби на техниката е да датира органски остатоци од археолошки локалитети. Растенијата го врзуваат атмосферскиот јаглерод за време на фотосинтезата; така што нивото од C кај растенијата и животните кога ќе умрат, приближно е еднакво на нивото од C во атмосферата во тоа време. Сепак, тој потоа се намалува експоненцијално; па може да се процени датумот на смрт или врзување. Почетното ниво од C за пресметката може да се процени или директно да се спореди со познатите податоци од година во година од податоците за прстените на дрвјата (дендрохронологија) до пред 10.000 години (со користење на преклопувачки податоци од живи и мртви дрвја во дадена област), или на друго место од наоѓалишта на пештери (спелеотеми), наназад околу 45,0 години пред сегашноста. Пресметка или (поточно) директна споредба на нивоата на јаглерод-14 во примерок, со прстен на дрво или депозит на пештера C нивоа на позната старост, потоа го дава примерокот од дрво или животинската старост од формирањето. Радиојаглеродот исто така се употребува за откривање на нарушувања во природните екосистеми; на пример, во пејзажите со тресетишта, радиојаглеродот може да укаже дека јаглеродот кој претходно бил складиран во органски почви се ослободува поради расчистување на земјиштето или климатските промени.
Космогените нуклиди се употребуваат и како прокси податоци за да се карактеризираат космичките честички и сончевата активност од далечното минато.
3 Потекло
3.1 Природно производство во атмосферата
Јаглерод-14 се произведува во горната тропосфера и стратосферата од топлински неутрони добиени од атомите на азот. Кога космичките зраци влегуваат во атмосферата, тие претрпуваат различни преобразби, вклучително и производство на неутрони. Добиените неутрони (n) учествуваат во следната np реакција (p е протон):
: + n → + p + 0.626 MeV
Највисоката стапка на производство на јаглерод-14 се одвива на надморска височина од 9 до 15 километри и на високи геомагнетни широчини.
Стапката на производство на C може да се моделира, давајќи вредности од 16.400 или 18.800 атоми од во секунда по квадратен метар од површината на Земјата, што се согласува со глобалниот јаглероден буџет што може да се користи за да се врати назад, но обидите да се измери времето на производство директно ''на самото место'' не биле многу успешни. Стапките на производство варираат поради промените на флуксот на космичките зраци предизвикани од хелиосферската модулација (сончев ветер и сончево магнетно поле) и, од големо значење, поради варијациите во земјиното магнетно поле. Меѓутоа, промените во јаглеродниот циклус може да го отежнат изолирањето и квантифицирањето на таквите ефекти. Може да се појават повремени шила; на пример, постојат докази за невообичаено висока стапка на производство во 774-775 н.е., предизвикано од настан на екстремна сончева енергија на честички, најсилниот таков настан што се случил во последните десет милениуми. Друго „извонредно големо“ зголемување C (2%) е поврзано со настан од 5480 година п.н.е., кој најверојатно нема да биде настан на сончева енергија на честички.
Јаглерод-14, исто така, може да биде произведен од молња но во помали количини, на глобално ниво, во споредба со производството на космички зраци. Местните ефекти од испуштањето на облакот низ остатоците од мострата се непознати, но можеби значајни.
3.2 Други извори на јаглерод-14
Јаглерод-14 може да се произведе и со други неутронски реакции, вклучувајќи особено C(n,γ)C и O(n,α)C со топлински неутрони, and N(n,d)C и O(n,He)C со брзи неутрони. Најзабележителните правци за производство на C со топлинско неутронско зрачење на цели (на пр. во јаглерод реактор) се соберени во табелата.
Друг извор на јаглерод-14 се гранките на распаѓање на кластери од траги од природни изотопи на радиум, иако овој начин на распаѓање има разграничувачки сооднос од редот од во однос на алфа-распадот, така што радиогениот јаглерод-14 е исклучително редок.
+C производствени патишта , Родител изотоп, Природно изобилство, %, Пресек за топлински зафат на неутрони, б, Реакција
Н, 99.634, 1.81, N(n,p) C
В, 1.103, 0,0009, C(n,γ) C
О, 0,0383, 0,235, O(n, α) C
3.3 Формирање за време на јадрени проби
Надземните јадрени проби што се случиле во неколку земји во 1955-1980 година драматично го зголемиле количеството на C во атмосферата, а потоа и биосферата; по завршувањето на тестовите, атмосферската концентрација на изотопот започнало да се намалува, бидејќи радиоактивниот CO се врзува во растително и животинско ткиво и се раствора во океаните.
Еден несакан ефект од промената на атмосферскиот C е тоа што ова овозможило некои опции) за одредување на годината на раѓање на поединецот, особено, количината од C во забен глеѓ, или концентрацијата на јаглерод-14 во леќата на окото.
Во 2019 година, Scientific American објавил дека јаглерод-14 од јадрено тестирање бил пронајден кај животни од еден од најнепристапните региони на Земјата, Маријанскиот Ров во Тихиот Океан.
Концентрацијата на C во атмосферскиот CO, пријавено како сооднос C/C во однос на стандардот, (од околу 2022 година) се намалила на нивоа слични на оние пред надземните јадрени проби од 1950-тите и 1960-тите. Иако дополнителните C генерирани од тие јадрени проби не исчезнале од атмосферата, океаните и биосферата, тие се разредуваат поради Сусовиот ефект.
3.4 Емисии од јадрени централи
Јаглерод-14 се произведува во течноста за ладење на реактори со врела вода (РВВ) и водопритисочни реактори (ВПР). Обично се ослободува во воздухот во форма на јаглерод диоксид кај РВВ и метан во ВПР. Најдобрата практика за управување со јаглерод-14 од операторите на јадрената централа вклучува негово ослободување ноќе, кога постројките не фотосинтетизираат. Јаглерод-14, исто така, се генерира во јадрените горива (некои поради менување на формата на кислород во ураниум оксидот, но најзначајно од менувањето на нечистотии од азот-14), и ако потрошеното гориво се испрати на јадрена преработка, тогаш C се ослободува, на пример како CO за време на екстракција на редукција на плутониум-ураниум PUREX.
4 Појава
4.1 Варијанса во околината
По производството во горниот дел од атмосферата, јаглерод-14 брзо реагира и формира претежно (околу 93%) CO (јаглерод моноксид), кој последователно оксидира со побавна брзина и формира , радиоактивен јаглерод диоксид . Гасот брзо се меши и станува рамномерно распореден низ атмосферата (временска скала за мешање од редот на недели). Јаглерод диоксидот, исто така, се раствора во вода и на тој начин продира во океаните, но со побавна брзина. Атмосферскиот полураспад за отстранување на се проценува на приближно 12 до 16 години на северната полутопка. Преносот помеѓу плиткиот слој на океанот и големиот резервоар на бикарбонати во океанските длабочини се случува со ограничена брзина. Во 2009 година активноста на била 238 Bq на kg јаглерод свежа копнена биоматерија, блиску до вредностите пред атмосферското јадрено тестирање (226 Bq/kg C; 1950 година).
4.2 Вкупна застапеност
Инвентарот на јаглерод-14 во биосферата на Земјата е околу 300 мегакири (11 E Bq), од кои повеќето се во океаните. Дадена е следната застапеност на јаглерод-14:* Глобално: ~ 8500 PBq (околу 50 т )
** Атмосфера: 140 PBq (840 кг)
** Копнени материјали: рамнотежа
* Од јадрено тестирање (до 1990 година): 220 PBq (1.3 т)
4.3 Фосилни горива
Голем број на хемикалии произведени од човекот се добиени од фосилни горива (како нафта или јаглен) во кои C е значително исцрпена бидејќи староста на фосилите далеку го надминува полуживотот од C. Релативното отсуство на се користи за да се одреди релативниот придонес (или односот на мешање ) на оксидацијата на фосилните горива во вкупниот јаглерод диоксид во даден регион од атмосферата на Земјата.
Датирањето на специфичен примерок од фосилизиран јаглероден материјал е покомплицирано. Таквите наслаги често содржат траги од C. Овие количини може значително да варираат помеѓу примероците, кои се движат до 1% од односот пронајден во живите организми (привидна возраст од околу 40.000 години). Ова може да укаже на контаминација од мали количини на бактерии, подземни извори на зрачење кои предизвикуваат реакција од N(n,p) C, директно распаѓање на ураниум (иако пријавените измерени соодноси од C/U во рудите што содржат ураниум би значеле приближно 1 атом на ураниум по редослед C/ јаглерод измерено да биде од редот на 10 ), или други непознати секундарни извори на производство C. Присуството на C во изотопскиот потпис на примерок од јаглероден материјал веројатно укажува на негова контаминација од биогени извори или распаѓање на радиоактивен материјал во околните геолошки слоеви. Во врска со изградбата на опсерваторијата за борексинови сончеви неутрини, добиена е суровина од нафта (за синтетизирање на примарниот сцинтилант) со ниска содржина на C. Во Објектот за тестирање Борексино, покажал одреден сооднос C/ C од 1,94×10; веројатните реакции одговорни за различните нивоа од C во различни нафтени резервоари, и пониските нивоа од C во метанот, се дискутирани од Бонвичини и неговите соработници.
4.4 Човечко тело
Бидејќи многу извори на човечка храна на крајот потекнуваат од копнени растенија, релативната концентрација од C во човечките тела е речиси идентична со релативната концентрација во атмосферата. Стапките на распаѓање на калиум-40 ( K) и C во нормалното тело на возрасно лице се споредливи (неколку илјади распаѓања во секунда). Бета-распаѓањето од надворешниот (еколошки) радиојаглерод придонесува за околу 0,01 mSv / година (1 mrem/година) до дозата на јонизирачко зрачење на секое лице. Ова е малку во споредба со дозите од К (0,39 mSv/година) и радон (променлива).
C може да се користи како радиоактивен трагач во медицината. Во почетната варијанта на тестот за уреа, дијагностички тест за Helicobacter pylori, уреа означена со околу 37 килобекерели (1,0 μCi) 14C се дава на пациент (т.е. 37.000 распаѓања во секунда). Во случај на инфекција со H. pylori, бактерискиот ензим ја разградува уреата на амонијак и радиоактивно означен јаглерод диоксид, што може да се открие со ниско броење на здивот на пациентот.