Hiili-14

Hiili-14 ( 14 C, käytetään myös nimiä radiocarbon , radiocarbon ja lyhenne C-14) on kemiallisen alkuaineen hiilen radioaktiivinen nuklidi , jonka atominumero on 6 ja massa 14.

Discovery

Hiili-14 on yksi luonnollisista radioaktiivisista isotoopeista. Ensimmäiset viitteet sen olemassaolosta saatiin vuonna 1936, kun brittiläiset fyysikot W. Birch ja M. Goldhaber säteilyttivät typpi-14-ytimiä hitailla neutroneilla valokuvausemulsiossa ja löysivät reaktion 14 N( n , p ) 14 C [3] . Vuonna 1940 amerikkalaiset fyysikot Martin David Kamen ja Samuel Reuben pystyivät eristämään hiili-14 :n säteilyttämällä grafiittikohteen deuteroneilla syklotronissa ; 14 C muodostui reaktiossa 13 C( d , p ) 14 C [4] . Sen puoliintumisaika määritettiin myöhemmin (Martin Kamen sai ensimmäisissä kokeissaan 2700 ja 4000 vuotta [5] , Willard Libby vuonna 1951 otti puoliintumisajan 5568 ± 30 vuotta ). Nykyinen suositeltu puoliintumisaika 5,70 ± 0,3 tuhatta vuotta on annettu Nubase-2020-tietokannassa [2] ja se perustuu viiteen 1960-luvulla tehtyyn aktiivisuusmittaukseen [6] .

Koulutus

Hiili-14 muodostuu troposfäärin yläosassa ja stratosfäärissä typpi-14-atomien termisten neutronien absorption seurauksena , jotka puolestaan ​​ovat seurausta kosmisten säteiden ja ilmakehän aineen vuorovaikutuksesta:

Prosessin poikkileikkaus 14 N(n, p) 14 C on melko korkea ( 1,83 barn ). Se on 25 kertaa suurempi kuin kilpailevan prosessin poikkileikkaus, lämpöneutronin säteilyn sieppaus 14 N(n, γ ) 15 N . On muitakin reaktioita, jotka synnyttävät kosmogeenistä hiili-14:ää ilmakehään, erityisesti 13 C(n, γ) 14 C ja 17 O(n, α) 14 C. Niiden nopeus on kuitenkin paljon pienempi johtuen hiilen vähäisemmästä määrästä. alkunuklideja ja pienempiä reaktiopoikkileikkauksia.

Hiili-14 muodostuu eniten 9-15 km korkeudella korkeilla geomagneettisilla leveysasteilla, mutta sitten se jakautuu tasaisesti kaikkialle ilmakehään. Jokaista maanpinnan neliömetriä kohti muodostuu keskimäärin 16 400 - 18 800 hiili-14- atomia sekunnissa [7] [8] , vaikka muodostumisnopeus voi vaihdella auringon aktiivisuudesta ja muista tekijöistä riippuen. 14 C :n tuotantonopeudessa on havaittu jyrkkiä ja lyhyitä nousuja ( Miyake-tapahtumat ), jotka oletettavasti liittyvät erittäin voimakkaaseen auringonpurkaukseen tai läheiseen gammasäteilypurkaukseen , esimerkiksi tapahtumaan vuonna 774 jKr. e. Kun ilmakehään ilmestyi kerralla yli kolme kertaa enemmän radiohiiltä kuin keskimäärin muodostuu vuodessa.

Toinen luonnollinen kanava hiili-14:n muodostumiselle on joidenkin radioaktiiviseen sarjaan kuuluvien raskaiden ytimien klusterin hajoaminen , joka tapahtuu erittäin pienellä todennäköisyydellä . Tällä hetkellä on havaittu hajoamista hiili-14-ytimien 224 Ra (torium-sarja), 223 Ra (uraani-aktinium-sarja), 226 Ra (uraani-radium-sarja) emission kanssa; samanlainen prosessi ennustettiin, mutta ei kokeellisesti havaittu muille luonnollisille raskaille ytimille (hiili-14:n klusteriemissio havaittiin myös nuklideille 221Fr , 221Ra , 222Ra ja 225Ac , joita luonnossa ei esiinny ). Radiogeenisen hiili-14:n muodostumisnopeus tämän kanavan kautta on mitätön verrattuna kosmogeenisen hiili-14:n muodostumisnopeuteen [9] .

1940-1960-luvuilla ilmakehässä suoritetuissa ydin- ja erityisesti lämpöydinaseiden kokeissa hiili-14 muodostui intensiivisesti ilmakehän typen säteilytyksen seurauksena ydin- ja lämpöydinräjähdyksistä peräisin olevilla lämpöneutroneilla. Tämän seurauksena hiili-14:n pitoisuus ilmakehässä kasvoi huomattavasti (ns. "pommin huippu", katso kuva), mutta alkoi myöhemmin vähitellen palata aikaisempiin arvoihinsa johtuen vapautumisesta valtamereen ja muut säiliöt. Toinen teknogeeninen prosessi, joka vaikutti ilmakehän keskimääräiseen [ 14 C]/[ 12 C] -suhteeseen, vaikuttaa tämän arvon alenemiseen: teollistumisen alkaessa (XVIII vuosisata) poltettiin hiiltä, ​​öljyä ja maakaasua. lisääntyi merkittävästi, eli muinaisen fossiilisen hiilen vapautuminen ilmakehään, joka ei sisällä 14 C (ns. Suess-ilmiö ) [10] .

Ydinreaktorit, joissa käytetään vettä sydämessä, ovat myös ihmisen aiheuttaman hiili-14-saasteen lähde [11] [12] , samoin kuin grafiittihidastetut reaktorit [13] .

Hiili-14:n kokonaismääräksi maapallolla arvioidaan 8500 peta becquereliä (noin 50 tonnia ), joista 140 PBq ( 840 kg ) ilmakehässä. Ydinkokeiden seurauksena ilmakehään ja muihin ympäristöihin vapautuvan hiili-14:n määräksi arvioidaan 220 PBq ( 1,3 tonnia ) [14] .

Decay

Hiili-14 käy läpi β - hajoamisen , hajoamisen seurauksena muodostuu stabiili nuklidi 14N ( vapautettu energia 156.476 (4) keV [1] ):

Hajoamisnopeus ei riipu ympäristön kemiallisista ja fysikaalisista ominaisuuksista. Gramma ilmakehän hiiltä sisältää noin 1,5 × 10 -12 g hiili-14:ää ja emittoi noin 0,6 beetahiukkasta sekunnissa tämän isotoopin hajoamisen vuoksi. On huomattava, että hiili-14 hajoaa samalla nopeudella ihmiskehossa; Joka sekunti ihmiskehossa tapahtuu useita tuhansia hajoamisia. Syntyneiden beetahiukkasten alhaisesta energiasta johtuen tämän kanavan kautta vastaanotetun sisäisen säteilyn ekvivalenttiannosnopeus (0,01 mSv / vuosi tai 0,001 rem / vuosi) on pieni verrattuna sisäisen kalium-40 :n annosnopeuteen (0,39 mSv / vuosi). vuosi). vuosi) [15] . Elävän biomassan keskimääräinen hiili-14- ominaisaktiivisuus maalla vuonna 2009 oli 238 Bq / kg hiiltä, ​​lähellä pommia edeltävää tasoa ( 226 Bq/kg C ; 1950) [16] .

Biologinen rooli

Hiili-14 on toinen ( kalium-40 :n jälkeen ) ihmiskehon poistamattoman sisäisen radioaktiivisuuden lähde [17] . Sen osuus ehdollisen keskimääräisen 70 kg painavan ihmiskehon radioaktiivisuuteen on eri arvioiden mukaan 3,1 [18] -3,7 [19] [20] kBq .

Käyttö

Radioisotooppi dating

Hiili-14 muodostuu jatkuvasti ilmakehässä typestä-14 kosmisten säteiden vaikutuksesta. Nykyisellä avaruusaktiivisuuden tasolla hiili-14:n suhteellinen pitoisuus ilmakehän "tavanomaiseen" (hiili-12) verrattuna voidaan arvioida noin 1:10 12 . Tavallisen hiilen tavoin 14 C reagoi hapen kanssa muodostaen hiilidioksidia , jota kasvit tarvitsevat fotosynteesin aikana . Ihmiset ja erilaiset eläimet kuluttavat sitten kasveja ja niistä valmistettuja tuotteita ravinnoksi ja sitovat näin myös hiili-14:ää. Samaan aikaan hiilen isotooppien pitoisuussuhteet [ 14 C]: [ 13 C]: [ 12 C] pysyvät käytännössä samoina kuin ilmakehässä; Isotooppinen fraktiointi biokemiallisissa reaktioissa muuttaa näitä suhteita vain muutaman ppm:n verran, mikä voidaan ottaa huomioon [21] .

Kuolleessa elävässä organismissa hiili-14 hajoaa vähitellen, kun taas vakaat hiilen isotoopit pysyvät muuttumattomina. Eli isotooppien suhde muuttuu ajan myötä. Tämä mahdollisti tämän isotoopin käyttämisen iän määrittämiseen radioisotooppiajoittamalla biomateriaaleja ja joitakin jopa 6000 vuotta vanhoja epäorgaanisia näytteitä . Sitä käytetään useimmiten arkeologiassa, jääkauden jälkeisessä geologiassa sekä ilmakehän fysiikassa, geomorfologiassa, glasiologiassa, hydrologiassa ja maaperätieteessä, kosmisen säteilyn fysiikassa, auringon fysiikassa ja biologiassa, ei vain ajoittamiseen, vaan myös erilaisten luonnollisten prosessien merkkiaine [21] .

Lääketieteessä

Käytetään Helicobacter pylori -infektion havaitsemiseen maha-suolikanavassa . Potilaalle annetaan 14 C ureavalmistetta.H. pylori -infektion tapauksessa bakteeriperäinen ureaasientsyymi pilkkoo urean ammoniakiksi ja radioaktiiviseksi hiilidioksidiksi, joka voidaan havaita potilaan hengityksestä [22] [23] . Nykyään leimattuihin 14 C-atomiin perustuva testi korvataan stabiililla 13 C:lla, johon ei liity säteilyriskejä.

Venäjällä 14 C :een perustuvia radiofarmaseuttisia valmisteita tuottaa L. Ya. Karpovin mukaan nimetyn Fysiikan ja kemian tutkimuslaitoksen Obninskin haara [24] .

Radioisotooppienergialähteet

On olemassa ajatus hiili-14:n käytöstä radioisotooppienergian lähteenä. Se sisältää 14 C : n timantin kaltaisen pinnoitteen beetalähteenä ja ylimääräisen normaalin hiilipinnoitteen tarvittavan puolijohdeliitoksen ja hiili-14-kapseloinnin luomiseksi. Tällainen akku tuottaa pienen määrän sähköä tuhansien vuosien ajan [25] .

Katso myös

• radiohiilianalyysi
• Huippu hiili-14 vuonna 774
• Miyaken tapahtumat

Muistiinpanot

1. ↑ 1 2 3 4 5 Meng Wang , Huang WJ , Kondev FG , Audi G. , Naimi S. Ame2020-atomimassan arviointi (II). Taulukot, kaaviot ja viitteet  (englanniksi)  // Chinese Physics C. - 2021. - Vol. 43 , iss. 3 . - P. 030003-1-030003-512 . - doi : 10.1088/1674-1137/abddaf .
2. ↑ 1 2 3 Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. , Audi G. Nubase2020 -arvio ydinominaisuuksista  // Chinese Physics  C. - 2021. - Vol. 45 , iss. 3 . - P. 030001-1-030001-180 . - doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
3. ↑ Burcham WE , Goldhaber M. Typen hajoaminen hitaiden neutronien vaikutuksesta  //  Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. - 1936. - Joulukuu ( osa 32 , nro 04 ). - s. 632-636 . - doi : 10.1017/S0305004100019356 .
4. ↑ Kamen MD Early History of Carbon-14: Tämän äärimmäisen tärkeän merkkiaineen löytäminen oli odotettavissa fysikaalisessa mielessä, mutta ei kemiallisessa mielessä   // Tiede . - 1963. - Voi. 140 , ei. 3567 . - s. 584-590 . - doi : 10.1126/tiede.140.3567.584 . - . — PMID 17737092 .
5. ↑ Martin David Kamen. "Säteilevä tiede, synkkä politiikka: muistelma ydinajasta".
6. ↑ Bé MM, Chechev VP 14 C - Kommentteja hajoamistietojen arvioinnista . www.nucleide.org . LNHB. Haettu 8. kesäkuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 22. marraskuuta 2016. (määrätön)
7. ↑ Kovaltsov GA, Mishev A., Usoskin IG Uusi malli radiohiilen 14 C kosmogeenisesta tuotannosta ilmakehässä  //  Earth and Planetary Science Letters. - 2012. - Vol. 337-338 . - s. 114-120 . — ISSN 0012-821X . - doi : 10.1016/j.epsl.2012.05.036 . - . - arXiv : 1206.6974 .
8. ↑ Poluianov SV et ai. Kosmogeenisten isotooppien 7 Be, 10 Be, 14 C, 22 Na ja 36 Cl tuotanto ilmakehässä: Saantofunktioiden korkeusprofiilit  //  Journal of Geophysical Research: Atmospheres. - 2016. - Vol. 121 . - P. 8125-8136 . - doi : 10.1002/2016JD025034 . - arXiv : 1606.05899 .
9. ↑ Baum EM et ai. (2002). Nuklidit ja isotoopit: Nuklidikaavio. 16. painos Knolls Atomic Power Laboratory (Lockheed Martin).
10. ↑ Tans PP, de Jong AFM, Mook WG Luonnollinen ilmakehän vaihtelu 14  C ja Suess- efekti  // Luonto . - 1979. - Voi. 280 , no. 5725 . - s. 826-828 . - doi : 10.1038/280826a0 .
11. ↑ EPRI | Ydinvoimalan toiminnan vaikutus hiili-14:n tuotantoon, kemiallisiin muotoihin ja vapautumiseen (linkki ei saatavilla) . www.epri.com . Haettu 7. heinäkuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 18. elokuuta 2016. (määrätön) 
12. ↑ EPRI | Hiili-14-annoksen laskentamenetelmät ydinvoimaloissa (linkki ei saatavilla) . www.epri.com . Haettu 7. heinäkuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 18. elokuuta 2016. (määrätön) 
13. ↑ James Conca. Radioaktiiviset timanttiparistot: ydinjätteen hyvä hyödyntäminen  (englanniksi) . Forbes . Käyttöönottopäivä: 26.9.2020.
14. ↑ Choppin GR, Liljenzin JO, Rydberg J. Radiochemistry and Nuclear Chemistry  . - 3. painos - Butterworth-Heinemann, 2002. - ISBN 978-0-7506-7463-8 .
15. ↑ Radioaktiivisuus luonnonympäristössä . Julkaisussa: NCRP Report No. 93. Yhdysvaltain väestön altistuminen ionisoivalle säteilylle  . - Kansallinen säteilysuojelu- ja säteilymittausneuvosto, 1987.
16. ↑ Hiili-14 ja ympäristö . Säteilyturvallisuuden ja ydinturvallisuuden instituutti. (määrätön)
17. ↑ Leenson I. A. Radioaktiivisuus sisällämme  // Kemia ja elämä. - 2009. - Nro 7 . (Venäjän kieli)
18. ↑ Ovatko kehomme radioaktiivisia? / Health Physics Society, 2014: "...70-kiloisen ihmisen ruumiinpitoisuus 14 C:ssa olisi noin 3,08 kBq".
19. ↑ Alikbaeva L. A., Afonin M. A. et al. Uusi hakuteos kemistille ja teknologialle: Radioaktiiviset aineet. - Pietari. : Professional, 2004. - S. 266. - 1004 s.
20. ↑ Ilyin L. A., Kirillov V. F., Korenkov I. P. Säteilyhygienia: oppikirja. yliopistoja varten. - M. : GEOTAR-Media, 2010. - 384 s.
21. ↑ 1 2 Levchenko V.  Radiohiili ja absoluuttinen kronologia: muistiinpanoja aiheesta . - "Russian Binding", 18. joulukuuta 2001.
22. ↑ Syyt, menettely ja valmistautuminen C urea -hengitystestiin
23. ↑ Ydinlääketieteen yhdistyksen menettelyohje C-14-urea-hengitystestille (PDF). snm.org (23. kesäkuuta 2001). Käyttöpäivä: 4. heinäkuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 26. syyskuuta 2007. (määrätön)
24. ↑ NIFHI:n Obninskin haara. L. Ya. Karpova juhlii 50 vuotta reaktorin käynnistämisestä
25. ↑ Bristolin yliopisto. Marraskuu: timanttivoima | Uutisia ja ominaisuuksia |  Bristolin yliopisto . www.bristol.ac.uk . Käyttöönottopäivä: 26.9.2020.

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Suuri katalaani Britannica (verkossa) Universalis