Вугляро́д-14 (14C, таксама выкарыстоўваюцца назвы радыевугляро́д, радыекарбо́н і скарачэнне C-14) — радыеактыўны нуклід хімічнага элемента вуглярода з атамным нумарам 6 і масавым лікам 14.

Вуглярод-14
Назва, сімвал Вуглярод-14, 14C
Альтэрнатыўныя назвы радыевугляро́д, радыекарбо́н
Нейтронаў 8
Уласцівасці нукліду
Атамная маса 14,003241989(4)[1] а. а. м.
Дэфект масы 3019,893(4)[1] кэВ
Перыяд паўраспаду 5,70(3)×103[2] гадоў
Прадукты распаду 14N
Спін і цотнасць ядра 0+[2]
Канал распаду Энергія распаду
β 0,1564765(37)[1] МэВ
Табліца нуклідаў
Лагатып Вікісховішча Медыяфайлы на Вікісховішчы

Адкрыццё

правіць

Вуглярод-14 з’яўляецца адным з прыродных радыеактыўных ізатопаў. Першыя ўказанні на яго існаванне былі атрыманы ў 1936 годзе, калі брытанскія фізікі У. Бёрчам і М. Голдхабер абпраменьвалі павольнымі нейтронамі ядры азоту-14 у фотаэмульсіі і выявілі рэакцыю 14N(n,p)14C[3]. У 1940 годзе вуглярод-14 змаглі выдзеліць амерыканскія фізікі Марцін Дэвід Кеймен і Самуэл Рубен, якія абпраменьвалі на цыклатроне графітовую мішэнь дэйтронамі; 14C утвараўся ў рэакцыі 13C(d,p)14C[4]. Яго перыяд паўраспаду быў усталяваны пазней (Марцін Кеймен у сваіх першых эксперыментах атрымаў 2700 і 4000 гадоў[5], Уілард Лібі у 1951 годзе прыняў перыяд паўраспаду ў 5568 ± 30 год). Сучаснае рэкамендаванае значэнне перыяду паўраспаду 5,70 ± 0,03 тыс. год прыведзена ў базе даных Nubase-2020[2] і заснавана на пяці эксперыментах па вымярэнні ўласнай актыўнасці, праведзеных у 1960-х гадах[6].

Утварэнне

правіць

Вуглярод-14 утвараецца ў верхніх слаях трапасферы і стратасферы ў выніку паглынання атамамі азоту-14 тэрмічных нейтронаў, якія ў сваю чаргу з’яўляюцца вынікам узаемадзеяння касмічных прамянёў і рэчыва атмасферы:

 

Сячэнне працэсу 14N(n,p)14C даволі высокае (1,83 барн). Яно ў 25 разоў вышэй, чым сячэнне канкуруючага працэсу — радыятыўнага захопу тэрмічнага нейтрона 14N(n,γ)15N. Існуюць і іншыя рэакцыі, якія ствараюць у атмасферы касмагенны вуглярод-14, у прыватнасці 13C(n,γ)14C і 17O(n,α)14C. Аднак іх хуткасць значна ніжэй з-за меншай распаўсюджанасці зыходных нуклідаў і меншых сячэнняў рэакцыі.

З найбольшай хуткасцю вуглярод-14 утвараецца на вышыні ад 9 да 15 км на высокіх геамагнітных шыратах, аднак потым ён раўнамерна размяркоўваецца па ўсёй атмасферы. У секунду над кожным квадратным метрам зямной паверхні ў сярэднім утвараецца ад 16 400 да 18 800 атамаў вугляроду-14[7][8], хоць хуткасць утварэння можа вагацца ў залежнасці ад сонечнай актыўнасці і іншых фактараў. Выяўлены рэзкія і кароткія павелічэнні хуткасці ўтварэння 14C (падзеі Міяке), мяркуецца, што звязаны з вельмі магутнай сонечнай успышкай або блізкім гамма-ўспышкам, напрыклад падзея ў 774 годзе н. э., калі ў атмасферы адначасова ўзнікла ў тры з лішнім разы больш радыевугляроду, чым у сярэднім утвараецца за год.

Яшчэ адзін прыродны канал утварэння вугляроду-14 — які адбываецца з вельмі малой імавернасцю кластэрны распад некаторых цяжкіх ядраў, якія ўваходзяць у радыеактыўныя рады. У цяперашні час выяўлены распад з эмісіяй вугляроду-14 ядраў 224Ra (рад торыя), 223Ra (рад урана-актынія), 226Ra (рад урана-радыя); прадказаны, але эксперыментальна не выяўлены аналагічны працэс для іншых прыродных цяжкіх ядраў (кластэрная эмісія вугляроду-14 выяўлена таксама для адсутных у прыродзе нуклідаў 221Fr, 221Ra, 222Ra і 225Ac). Хуткасць утварэння радыягеннага вугляроду-14 па гэтым канале нязначна малая ў параўнанні з хуткасцю ўтварэння касмагеннага вугляроду-14[9].

Пры выпрабаваннях ядзернай і асабліва тэрмаядзернай зброі ў атмасферы ў 1940—1960-х гадах вуглярод-14 інтэнсіўна ўтвараўся ў выніку абпраменьвання атмасфернага азоту тэрмічнымі нейтронамі ад ядзерных і тэрмаядзерных выбухаў. У выніку змест вугляроду-14 у атмасферы моцна ўзрос (так званы «бомбавы пік», гл. мал.), аднак пасля стаў паступова вяртацца да ранейшых значэнняў з-за сыходу ў акіян і іншыя рэзервуары. Іншы тэхнагенны працэс, які паўплываў на сярэдняе стаўленне [14C]/[12C] у атмасферы, дзейнічае ў напрамку памяншэння гэтай велічыні: з пачаткам індустрыялізацыі (XVIII стагоддзе) значна павялічылася спальванне вугалю, нафты і прыроднага газу, гэта значыць выкід у атмасферу старажытнага карыснага вугляроду, які не змяшчае 14C (так званы эфект Зюсса[en])[10].

Ядзерныя рэактары, якія выкарыстоўваюць ваду ў актыўнай зоне, таксама з’яўляюцца крыніцай тэхнагеннага забруджвання вугляродам-14[11][12], таксама як і рэактары з графітавай запавольнікам[13].

Агульная колькасць вугляроду-14 на Зямлі ацэньваецца ў 8500 петабекерэляў (каля 50 тон), у тым ліку ў атмасферы 140 ПБк (840 кг). Колькасць вугляроду-14, які трапіў у атмасферу і іншыя асяроддзі ў выніку ядзерных выпрабаванняў, ацэньваецца ў 220 ПБк (1,3 тоны)[14].

Распад

правіць

Вуглярод-14 падвяргаецца β-распаду, у выніку распаду ўтвараецца стабільны нуклід 14N (вылучаная энергія 156,476(4) кэВ[1]):

 

Хуткасць распаду не залежыць ад хімічных і фізічных уласцівасцей асяроддзя. Грам атмасфернага вугляроду змяшчае каля 1,5×10−12 г вугляроду-14 і выпраменьвае каля 0,6 бэта-часціц у секунду за кошт распаду гэтага ізатопа. З такой жа хуткасцю вуглярод-14 распадаецца і ў чалавечым целе; кожную секунду ў арганізме чалавека адбываецца некалькі тысяч распадаў. Улічваючы малую энергію ўтварэння бэта-часціц, магутнасць эквівалентнай дозы ўнутранага апраменьвання, атрымліваемага па гэтым канале (0,01 мЗв/год, або 0,001 бэр/год), нязначная ў параўнанні з магутнасцю дозы ад унутранага калія-40 (0,39 мЗв/год)[15]. Сярэдняя удзельная актыўнасць вугляроду-14 жывой біямасы на сушы ў 2009 годзе складала 238 Бк на 1 кг вугляроду, блізка да значэнняў да бомбавы піка (226 Бк/кг C; 1950)[16].

Біялагічная роля

правіць

Вуглярод-14 з’яўляецца другой (пасля калія-40) па значнасці крыніцай непазбежнай уласнай радыеактыўнасці чалавечага арганізма[17]. Яго ўклад у радыеактыўнасць умоўнага сярэдняга чалавечага цела масай 70 кг па розных ацэнках складае 3,1[18]—3,7[19][20] кБк.

Выкарыстанне

правіць

Радыеізатопнае датаванне

правіць

Вуглярод-14 пастаянна ўтвараецца ў атмасферы з азоту-14 пад уздзеяннем касмічных прамянёў. Для сучаснага ўзроўню касмічнай актыўнасці можна ацаніць адноснае ўтрыманне вугляроду-14 у параўнанні са «звычайным» (вугляродам-12) у атмасферы як прыблізна 1:1012. Як і звычайны вуглярод, 14C уступае ў рэакцыю з кіслародам, утвараючы вуглякіслы газ, які патрэбны раслінам у працэсе фотасінтэзу. Людзі і розныя жывёлы затым спажываюць расліны і вырабленыя з іх прадукты ў ежу, засвойваючы такім чынам і вуглярод-14. Пры гэтым суадносіны канцэнтрацый ізатопаў вугляроду [14C]: [13C]: [12C] застаюцца практычна такімі ж, як у атмасферы; ізатопнае фракцыяніраванне ў біяхімічных рэакцыях змяняе гэтыя суадносіны толькі на некалькі праміле, што можа быць улічана[21].

У памерлым жывым арганізме вуглярод-14 паступова распадаецца, а стабільныя ізатопы вугляроду застаюцца без змен. Гэта значыць суадносіны ізатопаў змяняюцца з цягам часу. Гэта дазволіла выкарыстоўваць гэты ізатоп для вызначэння ўзросту метадам радыеізатопнага датавання пры датаванні біяматэрыялаў і некаторых неарганічных узораў узростам да 60 000 гадоў. Найбольш часта выкарыстоўваецца ў археалогіі, у ледніковай і пасляледніковай геалогіі, а таксама ў фізіцы атмасферы, геамарфалогіі, гляцыялогіі, гідралогіі і глебазнаўстве, у фізіцы касмічных прамянёў, фізіцы Сонца і ў біялогіі, не толькі для датаванняў, але і як трасёр розных прыродных працэсаў[21].

У медыцыне

правіць

Выкарыстоўваецца для вызначэння заражэння страўнікава-кішачнага тракту Helicobacter pylori. Пацыенту даюць прэпарат мачавіны з утрыманнем 14C. У выпадку інфекцыі H.pylori бактэрыяльны фермент урэазы разбурае мачавіну ў аміяк і радыеактыўна пазначаны вуглякіслы газ, які можа быць выяўлены ў дыханні пацыента[22][23]. Сёння тэст на аснове пазначаных атамаў 14C стараюцца замяняць на тэст са стабільным 13C, які не звязаны з радыяцыйнымі рызыкамі.

Радыеізатопныя крыніцы энергіі

правіць

Існуе канцэпцыя выкарыстання вугляроду-14 у якасці радыеізатопнай крыніцы энергіі. У ім утрымліваецца алмазападобнае пакрыццё з 14C у якасці крыніцы бэта-выпраменьвання і дадатковае такое ж пакрыццё з нармальным вугляродам для стварэння неабходнага паўправадніковага пераходу і інкапсуляцыі вугляроду-14. Такая батарэя будзе выпрацоўваць невялікую колькасць электраэнергіі на працягу тысяч гадоў[24].

Гл. таксама

правіць

Крыніцы

правіць
  1. а б в г Meng Wang, Huang W. J., Kondev F. G., Audi G., Naimi S. The Ame2020 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs and references(англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Т. 43. — № 3. — С. 030003-1—030003-512. — DOI:10.1088/1674-1137/abddaf
  2. а б в Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties(англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Т. 45. — № 3. — С. 030001-1—030001-180. — DOI:10.1088/1674-1137/abddae 
  3. Burcham W. E., Goldhaber M. The disintegration of nitrogen by slow neutrons(англ.) // Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. — 1936. — December — Т. 32. — № 04. — С. 632—636. — DOI:10.1017/S0305004100019356 Архівавана з першакрыніцы 12 чэрвеня 2018.
  4. Kamen M. D. Early History of Carbon-14: Discovery of this supremely important tracer was expected in the physical sense but not in the chemical sense(англ.) // Science. — 1963. — Т. 140. — № 3567. — С. 584—590. — DOI:10.1126/science.140.3567.584Bibcode1963Sci...140..584KPMID 17737092.
  5. Martin David Kamen. «Radiant science, dark politics: a memoir of the nuclear age».
  6. Bé M. M., Chechev V. P.. 14C — Comments on evaluation of decay data. www.nucleide.org. LNHB. Архівавана з першакрыніцы 22 лістапада 2016. Праверана 8 чэрвеня 2018.
  7. Kovaltsov G. A., Mishev A., Usoskin I. G. A new model of cosmogenic production of radiocarbon 14C in the atmosphere(англ.) // Earth and Planetary Science Letters  (англ.). — 2012. — Т. 337—338. — С. 114—120. — ISSN 0012-821X. — DOI:10.1016/j.epsl.2012.05.036Bibcode2012E&PSL.337..114KarΧiv:1206.6974
  8. Poluianov S. V. et al. Production of cosmogenic isotopes 7Be, 10Be, 14C, 22Na, and 36Cl in the atmosphere: Altitudinal profiles of yield functions(англ.) // Journal of Geophysical Research: Atmospheres  (англ.). — 2016. — Т. 121. — С. 8125—8136. — DOI:10.1002/2016JD025034arΧiv:1606.05899
  9. Baum E. M. et al. (2002). Nuclides and Isotopes: Chart of the nuclides. 16th ed. Knolls Atomic Power Laboratory (Lockheed Martin).
  10. Tans P. P., de Jong A. F. M., Mook W. G. Natural atmospheric 14C variation and the Suess effect(англ.) // Nature. — 1979. — Т. 280. — № 5725. — С. 826—828. — DOI:10.1038/280826a0 Архівавана з першакрыніцы 2 чэрвеня 2017.
  11. EPRI | Impact of Nuclear Power Plant Operations on Carbon-14 Generation, Chemical Forms, and Release(недаступная спасылка). www.epri.com. Архівавана з першакрыніцы 18 жніўня 2016. Праверана 7 ліпеня 2016.
  12. EPRI | Carbon-14 Dose Calculation Methods at Nuclear Power Plants(недаступная спасылка). www.epri.com. Архівавана з першакрыніцы 18 жніўня 2016. Праверана 7 ліпеня 2016.
  13. James Conca. Radioactive Diamond Batteries: Making Good Use Of Nuclear Waste (англ.). Forbes. Архівавана з першакрыніцы 29 кастрычніка 2020. Праверана 26 верасня 2020.
  14. Choppin G. R., Liljenzin J. O., Rydberg J. Radiochemistry and Nuclear Chemistry (англ.). — 3rd Ed.. — Butterworth-Heinemann, 2002. — ISBN 978-0-7506-7463-8.
  15. Radioactivity in the Natural Environment Архівавана 11 ліпеня 2007.. In: NCRP Report No. 93. Ionizing Radiation Exposure of the Population of the United States (англ.). — National Council on Radiation Protection and Measurements, 1987.
  16. Carbon-14 and the environment. Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety. Архівавана з першакрыніцы 18 красавіка 2015. Праверана 4 мая 2017.
  17. Леенсон И. А. Радиоактивность внутри нас(руск.) // Химия и жизнь. — 2009. Архівавана з першакрыніцы 16 лістапада 2020.
  18. Are Our Bodies Radioactive? Архівавана 13 чэрвеня 2015. / Health Physics Society, 2014: «…The body content of 14C for a 70-kg person would be about 3.08 kBq».
  19. Аликбаева Л. А., Афонин М. А. и др. Новый справочник химика и технолога: Радиоактивные вещества (руск.). — СПб.: Профессионал, 2004. — С. 266. — 1004 с.
  20. Ильин Л. А., Кириллов В. Ф., Коренков И. П. Радиационная гигиена : учеб. для вузов (руск.). — М: ГЭОТАР-Медиа, 2010. — 384 с.
  21. а б Левченко В. Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему. — «Русский Переплёт», 18 снежня 2001.
  22. Причины, процедура и подготовка к дыхательному тесту с С мочевиной (руск.). Архівавана з першакрыніцы 15 кастрычніка 2017. Праверана 14 кастрычніка 2017.
  23. Society of Nuclear Medicine Procedure Guideline for C-14 Urea Breath Test (PDF). snm.org (23 чэрвеня 2001). Архівавана з першакрыніцы 26 верасня 2007. Праверана 4 ліпеня 2007.
  24. University of Bristol. November: diamond-power | News and features | University of Bristol (англ.). www.bristol.ac.uk. Архівавана з першакрыніцы 20 лістапада 2022. Праверана 26 верасня 2020.