Јаглеродни изотопи

Јаглеродните изотопи се сорти на атоми (и јадра) на хемискиот елемент јаглерод кои имаат различна содржина на неутрони во јадрото. Јаглеродот има два стабилни изотопи: ¹²C и ¹³C. Содржината на овие изотопи во природниот јаглерод е 98,93% и 1,07%, соодветно. Исто така, познати се 13 радиоактивни изотопи на јаглерод (од ⁸C до ²²C), од кои еден, ¹⁴C, се наоѓа во природата (неговата содржина во атмосферскиот јаглерод е околу 10 ⁻¹²). Изомерните состојби се непознати. Јаглеродот е лесен елемент, а неговите изотопи значително се разликуваат по маса, а со тоа и по физички својства, па затоа се раздвојуваат (фракционираат) во многу природни процеси. Најдолговечниот радоизотоп е ¹⁴C со полуживот од 5.700 години.

Табела со изотопи на јаглерод

Симбол нуклид	Z(p)	N(n)	Изотопска маса (а. е. м.)	Период на полураспад[1] (T1/2)	Канал за дезинтеграција	Производ за распаѓање	Вртење и рамномерност јадра[1]	Природна застапеност	Опсегот на варијации на изотопското изобилство во природата
	Енергија на возбуда
8C	6	2	8,037.643 ± (20)	3,5 [230]	2p	6Be	0+
9C	6	3	9,0.310.372 ± (23)	126,5	β+, p (61,6 %)	8Be	3/2−
					β+, α (38,4 %)	5Li
10C	6	4	10,01.685.322	19,3.011	β+	10B	0+
11C	6	5	11,01.143.260	20,3.402	β+ (99,79 %)	11B	3/2−
					ЭЗ (0,21 %)[2][3]	11B
12C	6	6	12 по определению	стабилен			0+	[0,9.884, 0,9.904][4]
13C	6	7	13,00.335.483.534	стабилен			1/2−	[0,0.096, 0,0.116][5]
14C	6	8	14,0.032.419.890	5,70	β−	14N	0+	количини во трагови	<10−12
15C	6	9	15,0.105.993	2,449	β−	15N	1/2+
16C	6	10	16,014.701	750	β−, n (99,0 %)	15N	0+
					β− (1,0 %)	16N
17C	6	11	17,022.579	193	β− (71,6 %)	17N	3/2+
					β−, n (28,4 %)	16N
18C	6	12	18,02.675	92	β− (68,5 %)	18N	0+
					β−, n (31,5 %)	17N
19C	6	13	19,03.480	46,2	β−, n (47 %)	18N	1/2+
					β− (46 %)	19N
					β−, 2n (7 %)	17N
20C	6	14	20,04.026	16	β−, n (70 %)	19N	0+
					β−, 2n (<18,6 %)	18N
					β− (>11,4 %)	20N
21C	6	15	21,04.900#	<30	n	20C	1/2+#
22C	6	16	22,05.755	6,2	β−, n (61 %)	21N	0+
					β−, 2n (<37 %)	20N
					β− (>2 %)	22N

Објаснувања на табелата

• Индексите 'm', 'n', 'p' (до симболот) укажуваат на возбудени изомерни состојби на нуклидот.
• Симболите со задебелени букви означуват стабилни производи за распаѓање. Симболите со задебелени курзивни букви означуваат производи на радиоактивно распаѓање кои имаат период на полураспад споредлив или поголем од староста на Земјата и затоа се присутни во природната мешавина.
• Вредностите означени со хеш ознака (#) не се добиваат само од експериментални податоци, туку се (барем делумно) проценети од систематски трендови во соседните нуклиди (со исти односиZ иN ). Несигурно одредени вредности на спин и/или паритет се затворени во загради.
• Несигурноста е дадена како број во загради, изразена во единици од последната значајна цифра и значи едно стандардно отстапување (освен природна застапеност и стандардната атомска маса на изотоп според податоците на IUPAC, за кои се користи покомплексна дефиниција за несигурност). Примери: 29770.6(5) значи 29770.6 ± 0.5; 21,48(15) значи 21,48 ± 0,15; -2200,2(18) значи -2200,2 ± 1,8.

Изотоп 14С

Покрај стабилните изотопи на јаглеродот, во природата се наоѓа и радиоактивниот изотоп ¹⁴C (радиојаглерод). Се формира со зрачење ¹⁴N со неутрони според следнава реакција:

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

Покрај реакцијата на азот, ¹⁴C може да се формира со неутронско зрачење на изотопот на кислород ¹⁷O според реакцијата ¹⁷₈O + n → ¹⁴₆C + α, меѓутоа, содржината на ¹⁷O во атмосферата е исклучително мала и овој пат на формирање ^{на 14}C се зема предвид само во јадрените технологии.

Во природата, ¹⁴C се формира во земјината атмосфера од атмосферскиот азот -14 под влијание на космичкото зрачење. Јаглерод-14 исто така се формира со бавна брзина во земјината кора.

Содржина на рамнотежа ¹⁴C во земјината атмосфера и биосфера во однос на стабилен јаглерод е ~10⁻¹². С Од почетокот на активната употреба на фосилните горива (јаглен, нафта, гас), јаглерод диоксид кој не содржи радиојаглерод (кој се распаѓал во текот на милиони години) постојано се ослободува во атмосферата, што доведува до постепено намалување на односот ¹⁴C/¹²Cво атмосферата; Сепак, ова разредување на атмосферскиот јаглерод со нерадиоактивен фосилен јаглерод (т.н. Suess ефект) доведе до намалување на специфичната активност од почетокот на индустријализацијата (18 век).¹⁴C само во атмосферата 1,5...2,5 %^[6], а во океаните специфичната активност ¹⁴C намалена само за 0,2 %. Многу позначајна и драматична промена, која започна во 1945 година, е поврзана со јадрени и особено термојадрени експлозии во атмосферата, создавајќи голем флукс на неутрони и претворајќи го атмосферскиот азот-14 во јаглерод-14 со горенаведената реакција. Овој ефект го достигна својот врв во средината на 1960-тите; Општа содржина ¹⁴C во тропосферата на северната хемисфера е речиси двојно зголемена. По забраната за јадрено испробување во атмосферата, тропосферската содржина¹⁴C почна да се намалува брзо (двојно намалување на секои 12—16 години) како резултат на рамнотежата на тропосферскиот резервоар со океанот, кој има многу поголем капацитет од атмосферата и беше речиси недопрен од радиојаглеродот „бомба“ Во моментот, атмосферскиот наклон на океанот ¹⁴C практично се врати на вредностите од пред јадрената ера^[7], во износ (во 1950 година, во однос на специфичната дејност ¹⁴C), 226 Бк на 1 кг атмосферски јаглерод^[8].

Формирањето на ¹⁴C за време на јадрени експлозии стана еден од значајните фактори на загадување со радијација , бидејќи јаглеродот е вклучен во метаболизмот на живиот организам и може да се акумулира во него.

Радиојаглеродно датирање

Мерењето на радиоактивноста на органските материи од растително и животинско потекло, предизвикано од изотопот ¹⁴C, се користи за радиојаглеродно датирање на антички предмети и природни примероци. Стапката на формирање на ¹⁴C во Земјината атмосфера во секоја конкретна година се мери со содржината на овој изотоп во примероци со познати датуми, во разни прстени на дрвја итн. Затоа, познато е и учеството од ¹⁴C во јаглеродниот биланс. Живиот организам, со апсорпција на јаглерод, одржува рамнотежа од ¹⁴C идентична со околниот свет. По смртта, обновувањето на јаглеродот престанува и процентот на ¹⁴C постепено се намалува поради радиоактивното распаѓање. Со одредување на количината од ¹⁴C во примерокот, научниците можат да проценат колку долго живеел организмот.

Јаглеродни изотопски стандарди

Стандардот PDB, именуван по белемнитите од формацијата ПДБ во Јужна Каролина (САД), се користи за опишување на изотопскиот состав на јаглеродот. Овие белемнити биле избрани како стандард поради нивниот многу хомоген изотопски состав.

Фракционирање на јаглеродни изотопи во природата

Во природата, раздвојувањето на јаглеродните изотопи се случува интензивно на релативно ниски температури. За време на фотосинтезата, растенијата селективно апсорбираат лесен изотоп на јаглерод. Степенот на фракционирање зависи од биохемискиот механизам на фиксација на јаглеродот. Повеќето растенија интензивно акумулираат ¹²C, а релативната содржина на овој изотоп во нивниот состав е 15-25 ‰ повисока отколку во атмосферата. Во исто време, житните растенија, најзастапени во степските предели, се слабо збогатени со ¹²C и отстапуваат од составот на атмосферата за само 3-8 ‰

Фракционирањето на јаглеродните изотопи се случува кога _CO2 се раствора во вода и испарува, кристализира итн.

Голем број научни трудови се посветени на изотопскиот состав на јаглеродот во дијамантите.