Вуглярод-14

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

Адкрыццё

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(Шаблон:Math,Шаблон:Math)¹⁴C. 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(Шаблон:Math,Шаблон:Math)¹⁴C. Яго перыяд паўраспаду быў усталяваны пазней (Марцін Кеймен у сваіх першых эксперыментах атрымаў 2700 і 4000 гадоў, Уілард Лібі у 1951 годзе прыняў перыяд паўраспаду ў Шаблон:Nobr). Сучаснае рэкамендаванае значэнне перыяду паўраспаду Шаблон:Nobr прыведзена ў базе даных Nubase-2020 і заснавана на пяці эксперыментах па вымярэнні ўласнай актыўнасці, праведзеных у 1960-х гадах.

Утварэнне

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:

${}_{\mathrm{0}}^{\mathrm{1}}\mathrm{n}+{}_{\mathrm{7}}^{\mathrm{1}\mathrm{4}}\mathrm{N}\to {}_{\mathrm{6}}^{\mathrm{1}\mathrm{4}}\mathrm{C}+{}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{1}}\mathrm{H}.$

Сячэнне працэсу Шаблон:Nobr даволі высокае (Шаблон:Nobr). Яно ў 25 разоў вышэй, чым сячэнне канкуруючага працэсу — радыятыўнага захопу тэрмічнага нейтрона Шаблон:Nobr. 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 Шаблон:Nobr на высокіх геамагнітных шыратах, аднак потым ён раўнамерна размяркоўваецца па ўсёй атмасферы. У секунду над кожным квадратным метрам зямной паверхні ў сярэднім утвараецца ад Шаблон:Nobr да Шаблон:Nobr вугляроду-14, 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.

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 Шаблон:Iw).

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

Агульная колькасць вугляроду-14 на Зямлі ацэньваецца ў 8500 петабекерэляў (каля Шаблон:Nobr), у тым ліку ў атмасферы Шаблон:Nobr (Шаблон:Nobr). Колькасць вугляроду-14, які трапіў у атмасферу і іншыя асяроддзі ў выніку ядзерных выпрабаванняў, ацэньваецца ў Шаблон:Nobr (Шаблон:Nobr).

Распад

Вуглярод-14 падвяргаецца [[Бэта-распад|Шаблон:Math⁻-распаду]], у выніку распаду ўтвараецца стабільны нуклід ¹⁴N (вылучаная энергія Шаблон:Nobr):

${}_{\mathrm{6}}^{\mathrm{1}\mathrm{4}}\mathrm{C}\to {}_{\mathrm{7}}^{\mathrm{1}\mathrm{4}}\mathrm{N}+e^{-}+{\overline{\nu }}_e.$

Хуткасць распаду не залежыць ад хімічных і фізічных уласцівасцей асяроддзя. Грам атмасфернага вугляроду змяшчае каля Шаблон:Nobr 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). Сярэдняя удзельная актыўнасць вугляроду-14 жывой біямасы на сушы ў 2009 годзе складала Шаблон:Nobr на Шаблон:Nobr вугляроду, блізка да значэнняў да бомбавы піка (Шаблон:Nobr; 1950).

Біялагічная роля

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

Выкарыстанне

Радыеізатопнае датаванне

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.

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 Шаблон:Nobr. 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.

У медыцыне

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. Сёння тэст на аснове пазначаных атамаў ¹⁴C стараюцца замяняць на тэст са стабільным ¹³C, які не звязаны з радыяцыйнымі рызыкамі.

Радыеізатопныя крыніцы энергіі

Шаблон:Асноўны артыкул 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.

Гл. таксама

• Радыевугляродны аналіз
• Пік вугляроду-14 у 774 годзе
• Падзеі Міяке