Węgiel-14 - Carbon-14

Węgiel-14 ( ¹⁴ ° C) lub radiowęgla , jest izotopem radioaktywnym z węglem z jądra atomowego zawierające 6 protonami i 8 neutronami . Jego obecność w materiałach organicznych jest podstawą metody datowania radiowęglowego , której pionierem był Willard Libby i współpracownicy (1949) do datowania próbek archeologicznych, geologicznych i hydrogeologicznych. Carbon-14 został odkryty 27 lutego 1940 roku przez Martina Kamena i Sama Rubena w Laboratorium Radiacyjnym Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley w Kalifornii . Jego istnienie zasugerował Franz Kurie w 1934 roku.

Na Ziemi występują trzy naturalnie występujące izotopy węgla: węgiel-12 , który stanowi 99% całego węgla na Ziemi; węgiel-13 , który stanowi 1%; oraz węgiel-14, który występuje w śladowych ilościach, stanowiąc około 1 lub 1,5 atomu na 10 ¹² atomów węgla w atmosferze. Węgiel-12 i węgiel-13 są stabilne, podczas gdy węgiel-14 jest niestabilny i ma okres półtrwania 5730 ± 40 lat. Węgiel-14 rozpada się na azot-14 poprzez rozpad beta . Gram węgla zawierający 1 atom węgla-14 na 10 ¹² atomów będzie emitował ~0,2 cząstek beta na sekundę. Podstawowym naturalnym źródłem węgla 14 na Ziemi jest oddziaływanie promieniowania kosmicznego na azot w atmosferze, a zatem jest to nuklid kosmogeniczny . Jednak próby nuklearne na wolnym powietrzu w latach 1955-1980 przyczyniły się do powstania tej puli.

Różne izotopy węgla nie różnią się znacznie pod względem właściwości chemicznych. To podobieństwo jest wykorzystywane w badaniach chemicznych i biologicznych, w technice zwanej znakowaniem węgla : atomy węgla-14 mogą być wykorzystane do zastąpienia nieradioaktywnego węgla, w celu śledzenia reakcji chemicznych i biochemicznych z udziałem atomów węgla z dowolnego danego związku organicznego.

Rozpad radioaktywny i wykrywanie

Węgiel-14 przechodzi radioaktywny rozpad beta :

¹⁴
₆C
→ ¹⁴
₇n
+
mi⁻
+
ν
_mi + 156,5 keV

Emitując elektron i antyneutrino elektronowe , jeden z neutronów w atomie węgla-14 rozpada się na proton, a węgiel-14 ( okres półtrwania 5700 ± 40 lat) rozpada się na stabilny (nieradioaktywny) izotop azotu- 14 .

Jak zwykle w przypadku rozpadu beta, prawie cała energia rozpadu jest odprowadzana przez cząstkę beta i neutrino. Emitowane cząstki beta mają maksymalną energię około 156 keV, podczas gdy ich średnia ważona energia wynosi 49 keV. Są to stosunkowo niskie energie; szacuje się, że maksymalna przebyta odległość wynosi 22 cm w powietrzu i 0,27 mm w tkance ciała. Ułamek promieniowania przepuszczanego przez martwą warstwę skóry szacuje się na 0,11. Małe ilości węgla-14 nie są łatwe do wykrycia przez typowe detektory Geigera-Müllera (GM) ; szacuje się, że detektory GM zwykle nie wykryją zanieczyszczenia o wartości mniejszej niż około 100 000 rozpadów na minutę (0,05 µCi). Preferowaną metodą jest zliczanie scyntylacji cieczowej . Szacuje się, że wydajność liczenia GM wynosi 3%. Warstwa połówkowa w wodzie wynosi 0,05 mm.

Datowanie radiowęglowe

Datowanie radiowęglowe to metoda datowania radiometrycznego , która wykorzystuje ( ¹⁴ C) do określenia wieku materiałów zawierających węgiel do około 60 000 lat. Technika została opracowana przez Willarda Libby'ego i jego współpracowników w 1949 roku podczas jego kadencji jako profesora na Uniwersytecie w Chicago . Libby oszacował, że radioaktywność wymiennego węgla 14 wynosi około 14 rozpadów na minutę (dpm) na gram czystego węgla, i jest to nadal używane jako aktywność nowoczesnego wzorca radiowęgla . W 1960 roku Libby otrzymała za tę pracę Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii .

Jednym z częstych zastosowań tej techniki jest datowanie organicznych szczątków ze stanowisk archeologicznych. Rośliny wiążą węgiel atmosferyczny podczas fotosyntezy, więc poziom ¹⁴ C w roślinach i zwierzętach, gdy umierają, jest w przybliżeniu równy poziomowi ¹⁴ C w atmosferze w tym czasie. Jednak następnie zmniejsza się od rozpadu radioaktywnego, umożliwiając oszacowanie daty śmierci lub fiksacji. Początkowy poziom ¹⁴ C do obliczeń można oszacować lub bezpośrednio porównać ze znanymi danymi rok po roku z danych dotyczących słojów ( dendrochronologia ) do 10 000 lat temu (przy użyciu nakładających się danych z żywych i martwych drzew w danym obszar), lub też ze złóż jaskiniowych ( nacieków ), sięgających około 45 000 lat przed teraźniejszością. Obliczenie lub (dokładniej) bezpośrednie porównanie poziomów węgla-14 w próbce z poziomami węgla-14 w słojach drzew lub w jaskiniach o znanym wieku, daje następnie próbce drewna lub zwierzęcia wiek od powstania. Radiowęgiel jest również używany do wykrywania zakłóceń w naturalnych ekosystemach; na przykład w krajobrazach torfowiskowych radiowęgiel może wskazywać, że węgiel, który był wcześniej przechowywany w glebach organicznych, jest uwalniany w wyniku oczyszczania terenu lub zmiany klimatu.

Początek

Naturalna produkcja w atmosferze

1: Powstawanie węgla-14
2: Rozpad węgla-14
3: Równanie „równe” dotyczy organizmów żywych, a nierówne organizmów martwych, w których następnie C-14 rozpada się (patrz 2).

Węgiel-14 jest wytwarzany w górnych warstwach troposfery i stratosfery przez neutrony termiczne absorbowane przez atomy azotu . Kiedy promienie kosmiczne wnikają do atmosfery, ulegają różnym przemianom, w tym wytwarzaniu neutronów . Powstałe neutrony ( ¹ n) biorą udział w następującej reakcji np .:

n + ¹⁴
₇n
→ ¹⁴
₆C
+ p

Najwyższy wskaźnik produkcji węgla-14 ma miejsce na wysokościach od 9 do 15 km (30 000 do 49 000 stóp) i na dużych szerokościach geomagnetycznych .

Można modelować tempo produkcji ¹⁴ C, uzyskując wartości 16 400 lub 18 800 atomów ¹⁴ C na sekundę na metr kwadratowy powierzchni Ziemi, co zgadza się z globalnym budżetem węgla, który można wykorzystać do cofania się, ale próbuje zmierzyć produkcję czas bezpośrednio na miejscu nie był zbyt udany. Szybkość produkcji zmienia się ze względu na zmiany strumienia promieniowania kosmicznego spowodowane modulacją heliosferyczną (wiatr słoneczny i słoneczne pole magnetyczne) oraz, co ma ogromne znaczenie, ze względu na zmiany pola magnetycznego Ziemi . Zmiany w obiegu węgla mogą jednak utrudnić wyizolowanie i oszacowanie takich efektów. Mogą wystąpić sporadyczne skoki; na przykład istnieją dowody na niezwykle wysokie tempo produkcji w latach 774-775 ne , spowodowane przez ekstremalne zdarzenie cząstek energii słonecznej, najsilniejsze od dziesięciu tysiącleci. Kolejny „niezwykle duży” wzrost ¹⁴ C (2%) jest związany ze zdarzeniem 5480 pne, które prawdopodobnie nie będzie zdarzeniem cząstki energii słonecznej.

Węgiel-14 może być również wytwarzany przez piorun, ale w ilościach znikomych na całym świecie w porównaniu z produkcją promieniowania kosmicznego. Lokalne skutki wyładowania chmura-ziemia przez pozostałości próbki są niejasne, ale prawdopodobnie znaczące.

Inne źródła węgla-14

Węgiel-14 może być również wytwarzany w innych reakcjach neutronowych, w tym w szczególności ¹³ C (n,γ) ¹⁴ C i ¹⁷ O (n, α) ¹⁴ C z neutronami termicznymi oraz ¹⁵ N (n,d) ¹⁴ C i ¹⁶ O (n, ³ He) ¹⁴ C z prędkimi neutronami . Najbardziej godną uwagi trasy do ¹⁴ C produkcji przez napromieniania termicznego neutronów celów (na przykład, w reaktorze jądrowym) są zestawione w tabeli.

Węgiel-14 może być również radiogeniczny ( rozpad klastra z ²²³ Ra, ²²⁴ Ra, ²²⁶ Ra). Jednak to pochodzenie jest niezwykle rzadkie.

Formacja podczas prób jądrowych

atmosferyczne ¹⁴ C, Nowa Zelandia i Austria . Krzywa nowozelandzka jest reprezentatywna dla półkuli południowej, krzywa austriacka jest reprezentatywna dla półkuli północnej. Testy atmosferycznej broni jądrowej prawie podwoiły stężenie ¹⁴ C na półkuli północnej. Opatrzona adnotacjami etykieta PTBT jest reprezentatywna dla Traktatu o częściowym zakazie prób jądrowych .

Naziemne próby jądrowe, które miały miejsce w kilku krajach w latach 1955-1980 (patrz lista prób jądrowych) dramatycznie zwiększyły ilość węgla-14 w atmosferze, a następnie w biosferze; po zakończeniu testów stężenie izotopu w atmosferze zaczęło spadać, ponieważ radioaktywny CO ₂ był wiązany w tkankach roślinnych i zwierzęcych i rozpuszczany w oceanach.

Jednym ze skutków ubocznych zmiany atmosferycznego węgla-14 jest to, że umożliwiło to pewne opcje (np. datowanie impulsem bombowym ) określania roku urodzenia osobnika, w szczególności ilość węgla-14 w szkliwie zębów lub stężenie węgla-14 w soczewce oka.

W 2019 r. Scientific American poinformował, że węgiel-14 z testów bomby atomowej został znaleziony w ciałach zwierząt wodnych znalezionych w jednym z najbardziej niedostępnych regionów ziemi, Rowie Mariańskim na Oceanie Spokojnym.

Emisje z elektrowni jądrowych

Carbon-14 jest wytwarzany w chłodziwie w reaktorach wodnych wrzących (BWR) i ciśnieniowych reaktorach wodnych (PWR). Zwykle jest uwalniany do atmosfery w postaci dwutlenku węgla w reaktorach BWR i metanu w reaktorach PWR. Najlepsza praktyka w zarządzaniu przez operatorów elektrowni jądrowych węglem 14 obejmuje uwalnianie go w nocy, kiedy elektrownie nie przeprowadzają fotosyntezy . Węgiel-14 jest również wytwarzany w paliwach jądrowych (niektóre z powodu transmutacji tlenu w tlenku uranu, ale przede wszystkim z transmutacji zanieczyszczeń azotu-14), a jeśli zużyte paliwo zostanie wysłane do ponownego przetwarzania jądrowego, wówczas węgiel-14 jest uwalniany , na przykład jako CO ₂ podczas PUREX .

Występowanie

Dyspersja w środowisku

Po wytworzeniu w górnej atmosferze, atomy węgla-14 reagują szybko, tworząc głównie (około 93%) ¹⁴ CO ( tlenek węgla ), który następnie utlenia się wolniej, tworząc ¹⁴ CO ₂ , radioaktywny dwutlenek węgla . Gaz szybko się miesza i jest równomiernie rozprowadzany w atmosferze (skala czasowa mieszania rzędu tygodni). Dwutlenek węgla również rozpuszcza się w wodzie i w ten sposób przenika do oceanów , ale w wolniejszym tempie. Oszacowano, że atmosferyczny okres połowicznego rozpadu ¹⁴ CO ₂ na półkuli północnej wynosi około 12 do 16 lat. Transfer między płytką warstwą oceanu a dużym zbiornikiem wodorowęglanów w głębinach oceanicznych odbywa się w ograniczonym tempie. W 2009 r. aktywność ¹⁴ C wynosiła 238 Bq na kg węgla świeżej biomaterii lądowej, zbliżona do wartości przed atmosferycznymi próbami jądrowymi (226 Bq/kg C; 1950).

Całkowite zapasy

Zapas węgla 14 w biosferze Ziemi wynosi około 300 megakurów (11  E Bq ), z czego większość znajduje się w oceanach. Podano następujący spis węgla-14:

• Globalne zapasy: ~8500 PBq (około 50 t )
  • Atmosfera: 140 PBq (840 kg)
  • Materiały naziemne: równowaga
• Z testów jądrowych (do 1990): 220 PBq (1,3 t)

W paliwach kopalnych

Wiele chemikaliów wytwarzanych przez człowieka pochodzi z paliw kopalnych (takich jak ropa naftowa lub węgiel ), w których ¹⁴ C jest znacznie zubożony, ponieważ wiek skamieniałości znacznie przekracza okres półtrwania ¹⁴ C. ¹⁴ CO ₂ – a raczej jego względny brak – jest zatem używany do określenia względnego udziału (lub proporcji mieszania ) utleniania paliw kopalnych do całkowitego dwutlenku węgla w danym regionie ziemskiej atmosfery .

Datowanie określonej próbki skamieniałego materiału węglowego jest bardziej skomplikowane. Takie osady często zawierają śladowe ilości węgla-14. Ilości te mogą się znacznie różnić między próbkami, sięgając do 1% stosunku stwierdzonego w żywych organizmach, stężenie porównywalne do pozornego wieku 40 000 lat. Może to wskazywać na ewentualne zanieczyszczenia przez małe ilości bakterii podziemnych źródeł promieniowania, powodującego ¹⁴ N (N, P) ¹⁴ z Reakcji c bezpośredni rozpadu uranu (chociaż przedstawione zmierzone stosunek ¹⁴ C / U rud uranu łożyskowych oznaczałoby około 1 atom uranu co dwa atomy węgla, w celu spowodowania ¹⁴ ° C / ¹² stosunek C, mierzona być rzędu 10 ^-15 ) lub z innego źródła wtórny brak C-14 produkcji. Obecność węgla-14 w sygnaturze izotopowej próbki materiału węglowego prawdopodobnie wskazuje na jego zanieczyszczenie przez źródła biogeniczne lub rozpad materiału radioaktywnego w otaczających warstwach geologicznych. W związku z budową Borexino neutrino słonecznego centrum monitorowania surowca naftowego (do syntezy pierwotnego scyntylacyjnego) uzyskano niskiej ¹⁴ zawartości C. Zliczanie w obiekcie testowym Borexino, A ¹⁴ C / ¹² Stosunek C 1,94 x 10 ^-18 określono; prawdopodobne reakcje odpowiedzialne za różne poziomy ¹⁴ C w różnych złożach ropy naftowej oraz niższe poziomy ¹⁴ C w metanie zostały omówione przez Bonvicini et al.

W ludzkim ciele

Ponieważ wiele źródeł ludzkiego pożywienia ostatecznie pochodzi z roślin lądowych, względne stężenie węgla 14 w naszych ciałach jest prawie identyczne ze względnym stężeniem w atmosferze. Szybkości rozpadu potasu-40 i węgla-14 w normalnym ciele dorosłego są porównywalne (kilka tysięcy rozpadających się jąder na sekundę). Beta rozpady z zewnętrznego środowiska) (Radiowęglowym przyczyniają około 0,01 mSv / rok (1 mrem / rok) dla każdej osoby na dawkę z promieniowaniem jonizującym . Jest to niewielkie w porównaniu do dawek od potasu-40 (0,39 mSv/rok) i radonu (zmienna).

Węgiel-14 może być stosowany jako znacznik radioaktywny w medycynie. W początkowym wariancie mocznikowego testu oddechowego, pacjentowi podaje się test diagnostyczny na Helicobacter pylori , mocznik znakowany około 37  kBq (1,0  μCi ) węglem 14 (tj. 37 000 rozpadów na sekundę). W przypadku infekcji H. pylori bakteryjny enzym ureaza rozkłada mocznik na amoniak i radioaktywnie znakowany dwutlenek węgla , co można wykryć za pomocą liczenia oddechów pacjenta na niskim poziomie. ¹⁴ Test mocznik oddech C zostały w dużej mierze zastąpione przez ¹³ C mocznikowego testu oddechowego, która nie ma problemów promieniowania.

Zobacz też

• Stosunek węgla do azotu
• Bateria diamentowa
• Izotopy węgla
• Znakowanie izotopowe
• Datowanie radiowęglowe

Bibliografia

Dalsza lektura

• Kamen, Martin D. (1985). Radiant Science, Dark Politics: Memoir of the Nuclear Age . Berkeley: Wydawnictwo Uniwersytetu Kalifornijskiego. Numer ISBN 978-0-520-04929-1.

Zewnętrzne linki

• Co to jest datowanie węglowe? , Instytut Oceanograficzny Woods Hole