Јаглерод-14

Јаглерод-14, C-14, ¹⁴C 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.^[3]

Јаглерод-14, ¹⁴C

Општо
Симбол	14C
Име	јаглерод-14, C-14, радиојаглерод
Протони (Z)	6
Неутрони (N)	8
Нуклидни податоци
Природна застапеност	1 дел на trilion= ${\displaystyle 1/10^{12}}$
Период на полураспад (t1/2)	5,700 ± 30 years[1]
Изотопна маса	14.0032420[2] Da
Спин	0+
Начини на распад
Начин на распад	Распадна енергија (MeV)
бета	0.156476[2]
Изотопи на јаглеродот Целосна табела

Постојат три природни изотопи на јаглерод на Земјата: јаглерод-12 (¹²C), кој сочинува 99% од целиот јаглерод на Земјата; јаглерод-13 (¹³C), кој сочинува 1%; и јаглерод-14 (¹⁴C), кој се јавува во трагови, што сочинува околу 1-1,5 атоми на 10¹² атоми јаглерод во атмосферата. ¹²C и ¹³C и двете се стабилни; ¹⁴C е нестабилен, со полураспад 5.700 ± 30 години.^[4] Јаглерод-14 има специфична активност од 62,4 mCi/mmol (2,31 GBq/mmol), или 164,9 GBq/g.^[5] Јаглерод-14 се распаѓа во азот-14 (14
N) преку бета-распаѓање.^[6] Еден грам јаглерод кој содржи 1 атом јаглерод-14 на 10¹² 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.

Радиоактивно распаѓање и детекција

Јаглерод-14 се подложува на бета-распаѓање :

14
6C → 14
7N + e−
+
ν
e + 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 5,700 ± 30 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.^[7] 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 ^[8] 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.^[9]

Радиојаглеродно датирање

Радиојаглеродното датирање претставува метод на радиометриско датирање што користи ¹⁴C 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 ^[10] за време на неговиот мандат како професор на Универзитетот во Чикаго. Тој проценил дека радиоактивноста на разменливите ¹⁴C ќе биде околу 14 распаѓања во минута (dpm) по грам јаглерод, и тоа сè уште се употребува како активност на современиот радиојаглероден стандард .^[11][12] 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 ¹⁴C кај растенијата и животните кога ќе умрат, приближно е еднакво на нивото од ¹⁴C во атмосферата во тоа време. Сепак, тој потоа се намалува експоненцијално; па може да се процени датумот на смрт или врзување. Почетното ниво од ¹⁴C 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 ¹⁴C 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.^[13][14]

Космогените нуклиди се употребуваат и како прокси податоци за да се карактеризираат космичките честички и сончевата активност од далечното минато.^[15][16]

Потекло

Природно производство во атмосферата

1: Формирање на јаглерод-14
2: Распаѓање на јаглерод-14
3: Равенката „еднаква“ е за живите организми, а нееднаквата е за мртвите организми, во кои C-14 потоа се распаѓа (Види 2).

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):

14
7N + n → 14
6C + 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 ¹⁴C може да се моделира, давајќи вредности од 16.400 ^[17] или 18.800 ^[18] атоми од 14
C 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,^[19] 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.^[19][20] Може да се појават повремени шила; на пример, постојат докази за невообичаено висока стапка на производство во 774-775 н.е.,^[21] предизвикано од настан на екстремна сончева енергија на честички, најсилниот таков настан што се случил во последните десет милениуми.^[22][23] Друго „извонредно големо“ зголемување ¹⁴C (2%) е поврзано со настан од 5480 година п.н.е., кој најверојатно нема да биде настан на сончева енергија на честички.^[24]

Јаглерод-14, исто така, може да биде произведен од молња ^[25][26] 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.

Други извори на јаглерод-14

Јаглерод-14 може да се произведе и со други неутронски реакции, вклучувајќи особено ¹³C(n,γ)¹⁴C и ¹⁷O(n,α)¹⁴C со топлински неутрони, and ¹⁵N(n,d)¹⁴C и ¹⁶O(n,³He)¹⁴C со брзи неутрони. Најзабележителните правци за производство на ¹⁴C 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 10^-8 во однос на алфа-распадот, така што радиогениот јаглерод-14 е исклучително редок.

¹⁴C производствени патишта ^[27]

Родител изотоп	Природно изобилство, %	Пресек за топлински зафат на неутрони, б	Реакција
14Н	99.634	1.81	14N(n,p) 14C
13В	1.103	0,0009	13C(n,γ) 14C
17О	0,0383	0,235	17O(n, α) 14C

Формирање за време на јадрени проби

Атмосферски ¹⁴C, Нов Зеланд^[28] и Австрија.^[29] Кривата на Нов Зеланд е репрезентативна за јужната полутопка, а австриската крива е репрезентативна за северната полутопка. Атмосферските јадрени проби речиси ја удвоиле концентрацијата од 14C на северната полутопка.^[30] ДДЗЈТ= Договор за делумна забрана за јадрени проби.

Надземните јадрени проби што се случиле во неколку земји во 1955-1980 година драматично го зголемиле количеството на ¹⁴C во атмосферата, а потоа и биосферата; по завршувањето на тестовите, атмосферската концентрација на изотопот започнало да се намалува, бидејќи радиоактивниот CO₂ се врзува во растително и животинско ткиво и се раствора во океаните.

Еден несакан ефект од промената на атмосферскиот ¹⁴C е тоа што ова овозможило некои опции^[31]) за одредување на годината на раѓање на поединецот, особено, количината од ¹⁴C во забен глеѓ,^[32][33] или концентрацијата на јаглерод-14 во леќата на окото.^[34]

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.^[35]

Концентрацијата на ¹⁴C во атмосферскиот CO₂, пријавено како сооднос ¹⁴C/¹²C 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.^[36][37] Иако дополнителните ¹⁴C генерирани од тие јадрени проби не исчезнале од атмосферата, океаните и биосферата,^[38] тие се разредуваат поради Сусовиот ефект.

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.^[39] Најдобрата практика за управување со јаглерод-14 од операторите на јадрената централа вклучува негово ослободување ноќе, кога постројките не фотосинтетизираат.^[40] 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 ¹⁴C се ослободува, на пример како CO₂ за време на екстракција на редукција на плутониум-ураниум PUREX.^[41][42]

Појава

Варијанса во околината

По производството во горниот дел од атмосферата, јаглерод-14 брзо реагира и формира претежно (околу 93%) ¹⁴CO (јаглерод моноксид), кој последователно оксидира со побавна брзина и формира 14
CO₂, 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.^[20] Атмосферскиот полураспад за отстранување на 14
CO₂ 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.^[27] Во 2009 година активноста на 14
C била 238 Bq на kg јаглерод свежа копнена биоматерија, блиску до вредностите пред атмосферското јадрено тестирање (226 Bq/kg C; 1950 година).^[43]

Вкупна застапеност

Инвентарот на јаглерод-14 во биосферата на Земјата е околу 300 мегакири (11 E Bq), од кои повеќето се во океаните.^[44] Дадена е следната застапеност на јаглерод-14:^[45]

• 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)

Фосилни горива

Голем број на хемикалии произведени од човекот се добиени од фосилни горива (како нафта или јаглен) во кои ¹⁴C е значително исцрпена бидејќи староста на фосилите далеку го надминува полуживотот од ¹⁴C. Релативното отсуство на 14
CO₂ 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.^[46]

Датирањето на специфичен примерок од фосилизиран јаглероден материјал е покомплицирано. Таквите наслаги често содржат траги од ¹⁴C. 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).^[47] Ова може да укаже на контаминација од мали количини на бактерии, подземни извори на зрачење кои предизвикуваат реакција од ¹⁴ N(n,p) ¹⁴ C, директно распаѓање на ураниум (иако пријавените измерени соодноси од ¹⁴C/U во рудите што содржат ураниум ^[48] би значеле приближно 1 атом на ураниум по редослед ¹⁴C/ ¹² јаглерод измерено да биде од редот на 10⁻¹⁵ ), или други непознати секундарни извори на производство ¹⁴C. Присуството на ¹⁴C 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 ¹⁴C. Во Објектот за тестирање Борексино, покажал одреден сооднос ¹⁴C/ ¹²C од 1,94×10⁻¹⁸;^[49] веројатните реакции одговорни за различните нивоа од ¹⁴C во различни нафтени резервоари, и пониските нивоа од ¹⁴C во метанот, се дискутирани од Бонвичини и неговите соработници.

Човечко тело

Бидејќи многу извори на човечка храна на крајот потекнуваат од копнени растенија, релативната концентрација од ¹⁴C во човечките тела е речиси идентична со релативната концентрација во атмосферата. Стапките на распаѓање на калиум-40 ( ⁴⁰K) и ¹⁴C во нормалното тело на возрасно лице се споредливи (неколку илјади распаѓања во секунда).^[50] Бета-распаѓањето од надворешниот (еколошки) радиојаглерод придонесува за околу 0,01 mSv / година (1 mrem/година) до дозата на јонизирачко зрачење на секое лице.^[51] Ова е малку во споредба со дозите од ⁴⁰К (0,39 mSv/година) и радон (променлива).

¹⁴C 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.