Uhlík-14

Uhlík-14 ( 14 C, používají se i názvy radiocarbon , radiocarbon a zkratka C-14) je radioaktivní nuklid chemického prvku uhlík s atomovým číslem 6 a hmotnostním číslem 14.

Objev

Uhlík-14 je jedním z přírodních radioaktivních izotopů. První náznaky jeho existence byly získány v roce 1936, kdy britští fyzici W. Birch a M. Goldhaber ozářili jádra dusíku-14 pomalými neutrony ve fotografické emulzi a objevili reakci 14 N( n , p ) 14 C [3] . V roce 1940 byli američtí fyzici Martin David Kamen a Samuel Reuben schopni izolovat uhlík-14 ozářením grafitového terče deuterony na cyklotronu ; 14C vzniklo při reakci 13C ( d , p ) 14C [ 4] . Jeho poločas rozpadu byl stanoven později (Martin Kamen ve svých prvních experimentech obdržel 2700 a 4000 let [5] , Willard Libby v roce 1951 měl poločas rozpadu 5568 ± 30 let ). Aktuální doporučená hodnota poločasu 5,70 ± 0,3 tisíce let je uvedena v databázi Nubase-2020 [2] a je založena na pěti specifických měřeních aktivity provedených v 60. letech [6] .

Vzdělávání

Uhlík-14 se tvoří v horní troposféře a stratosféře v důsledku absorpce tepelných neutronů atomy dusíku-14 , které jsou zase výsledkem interakce kosmického záření a atmosférické hmoty:

Průřez procesu 14N (n,p) 14C je poměrně vysoký ( 1,83 barn ). Je 25krát vyšší než průřez konkurenčního procesu, radiační záchyt tepelného neutronu 14 N(n, γ ) 15 N . Existují další reakce, které vytvářejí kosmogenní uhlík-14 v atmosféře, zejména 13 C(n,γ) 14 C a 17 O(n,α) 14 C. Jejich rychlost je však mnohem nižší kvůli nižšímu zastoupení počáteční nuklidy a menší reakční průřezy.

Uhlík-14 vzniká nejvyšší rychlostí ve výšce 9 až 15 km ve vysokých geomagnetických šířkách, ale pak je rovnoměrně distribuován po celé atmosféře. Na každém čtverečním metru zemského povrchu se za sekundu vytvoří průměrně 16 400 až 18 800 atomů uhlíku-14 [7] [8] , i když rychlost tvorby může kolísat v závislosti na sluneční aktivitě a dalších faktorech. Bylo zjištěno prudké a krátké zvýšení rychlosti produkce 14C ( události Miyake ), pravděpodobně spojené s velmi silnou sluneční erupcí nebo blízkým zábleskem gama , například událostí v roce 774 našeho letopočtu. E. kdy se v atmosféře najednou objevilo více než třikrát více radiokarbonu, než se průměrně vytvoří za rok.

Dalším přirozeným kanálem pro tvorbu uhlíku-14 je rozpad klastrů některých těžkých jader, které jsou součástí radioaktivní řady , ke kterému dochází s velmi nízkou pravděpodobností . V současné době byl detekován rozpad s emisí jader uhlíku-14 224 Ra (série thorium), 223 Ra (řada uran-aktinium), 226 Ra (řada uran-radium); podobný proces byl předpovězen, ale nebyl experimentálně detekován, pro jiná přírodní těžká jádra (emise klastru uhlíku-14 byla také nalezena pro nuklidy 221 Fr , 221 Ra , 222 Ra a 225 Ac , které v přírodě chybí ). Rychlost tvorby radiogenního uhlíku-14 tímto kanálem je zanedbatelná ve srovnání s rychlostí tvorby kosmogenního uhlíku-14 [9] .

Při zkouškách jaderných a zejména termonukleárních zbraní v atmosféře ve 40. – 60. letech 20. století intenzivně vznikal uhlík-14 v důsledku ozařování atmosférického dusíku tepelnými neutrony z jaderných a termonukleárních výbuchů. V důsledku toho se obsah uhlíku-14 v atmosféře velmi zvýšil (tzv. „vrchol bomby“, viz obr.), ale následně se začal postupně vracet ke svým předchozím hodnotám v důsledku uvolňování do oceánu a další nádrže. Ve směru snižování této hodnoty působí další technogenní proces, který ovlivnil průměrný poměr [ 14 C]/[ 12 C] v atmosféře: s počátkem industrializace (XVIII. století) spalování uhlí, ropy a zemního plynu. výrazně vzrostlo, tedy uvolňování starověkého fosilního uhlíku, který neobsahuje 14 C, do atmosféry (tzv. Suessův efekt ) [10] .

Jaderné reaktory využívající vodu v aktivní zóně jsou také zdrojem umělého znečištění uhlíkem-14 [11] [12] , stejně jako reaktory moderované grafitem [13] .

Celkové množství uhlíku-14 na Zemi se odhaduje na 8500 peta becquerelů (asi 50 tun ), včetně 140 PBq ( 840 kg ) v atmosféře. Množství uhlíku-14 uvolněného do atmosféry a dalších prostředí v důsledku jaderných testů se odhaduje na 220 PBq ( 1,3 tuny ) [14] .

Rozpad

Uhlík-14 podléhá β - rozpadu , v důsledku rozpadu vzniká stabilní nuklid 14 N (uvolněná energie 156,476 (4) keV [1] ):

Rychlost rozpadu nezávisí na chemických a fyzikálních vlastnostech prostředí. Gram atmosférického uhlíku obsahuje asi 1,5 × 10 −12 g uhlíku-14 a emituje asi 0,6 beta částic za sekundu v důsledku rozpadu tohoto izotopu. Je třeba poznamenat, že uhlík-14 se v lidském těle rozkládá stejnou rychlostí; Každou sekundu dojde v lidském těle k několika tisícům rozpadů. Vzhledem k nízké energii generovaných beta částic je ekvivalentní dávkový příkon vnitřního záření přijatého tímto kanálem (0,01 mSv / rok nebo 0,001 rem / rok) malý ve srovnání s dávkovým příkonem z vnitřního draslíku-40 (0,39 mSv / rok) .rok) [15] . Průměrná specifická aktivita uhlíku-14 živé biomasy na souši v roce 2009 byla 238 Bq / kg uhlíku, blízko úrovním před bombou ( 226 Bq/kg C ; 1950) [16] .

Biologická role

Uhlík-14 je druhým (po draslíku-40 ) zdrojem neodstranitelné vlastní radioaktivity lidského těla [17] . Jeho příspěvek k radioaktivitě podmíněného průměrného lidského těla o hmotnosti 70 kg je podle různých odhadů 3,1 [18] -3,7 [19] [20] kBq .

Použití

Radioizotopové datování

Uhlík-14 se neustále tvoří v atmosféře z dusíku-14 pod vlivem kosmického záření. Pro současnou úroveň vesmírné aktivity lze relativní obsah uhlíku-14 ve vztahu k „obyčejnému“ (uhlík-12) v atmosféře odhadnout přibližně na 1:10 12 . Stejně jako běžný uhlík reaguje 14C s kyslíkem za vzniku oxidu uhličitého , který potřebují rostliny při fotosyntéze . Lidé a různá zvířata pak konzumují rostliny a produkty z nich vyrobené jako potravu, čímž absorbují také uhlík-14. Koncentrační poměry izotopů uhlíku [ 14 C] : [ 13 C] : [ 12 C] přitom zůstávají prakticky stejné jako v atmosféře; izotopová frakcionace v biochemických reakcích mění tyto poměry pouze o několik ppm, což lze vzít v úvahu [21] .

V mrtvém živém organismu se uhlík-14 postupně rozkládá, zatímco stabilní izotopy uhlíku zůstávají nezměněny. To znamená, že poměr izotopů se v čase mění. To umožnilo použít tento izotop k určení stáří radioizotopovým datováním při datování biomateriálů a některých anorganických vzorků starých až 6000 let . Nejčastěji se využívá v archeologii, v glaciální a postglaciální geologii, dále ve fyzice atmosféry, geomorfologii, glaciologii, hydrologii a pedologii, ve fyzice kosmického záření, sluneční fyzice a biologii nejen pro datování, ale i jako stopovač různých přírodních procesů [21] .

V lékařství

Používá se k detekci infekce Helicobacter pylori v gastrointestinálním traktu . Pacientovi je podáván přípravek s ureou 14 C. V případě infekce H. pylori enzym bakteriální ureáza štěpí močovinu na amoniak a radioaktivně značený oxid uhličitý, který lze detekovat v dechu pacienta [22] [23] . Dnes je test založený na značených atomech 14 C nahrazován testem se stabilním 13 C, který není spojen s radiačními riziky.

V Rusku vyrábí radiofarmaka na bázi 14C obninská pobočka Výzkumného ústavu fyziky a chemie pojmenovaná po L. Ya.Karpovovi [24] .

Radioizotopové zdroje energie

Existuje koncept využití uhlíku-14 jako zdroje radioizotopové energie. Obsahuje 14C diamantový povlak jako zdroj beta a další normální uhlíkový povlak pro vytvoření nezbytného polovodičového spojení a zapouzdření uhlíku -14. Taková baterie bude generovat malé množství elektřiny po tisíce let [25] .

Viz také

• radiokarbonová analýza
• Vrchol uhlíku-14 v 774
• Miyake události

Poznámky

1. ↑ 1 2 3 4 5 Meng Wang , Huang WJ , Kondev FG , Audi G. , Naimi S. Hodnocení atomové hmotnosti Ame2020 (II). Tabulky, grafy a odkazy  (anglicky)  // Chinese Physics C. - 2021. - Vol. 43 , iss. 3 . - S. 030003-1-030003-512 . - doi : 10.1088/1674-1137/abddaf .
2. ↑ 1 2 3 Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. , Audi G. Hodnocení jaderných vlastností Nubase2020  // Chinese Physics  C. - 2021. - Sv. 45 , iss. 3 . - S. 030001-1-030001-180 . - doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
3. ↑ Burcham WE , Goldhaber M. Dezintegrace dusíku pomalými neutrony  //  Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. - 1936. - prosinec ( roč. 32 , č. 04 ). - S. 632-636 . - doi : 10.1017/S0305004100019356 .
4. ↑ Kamen MD Raná historie uhlíku-14: Objev tohoto nanejvýš důležitého indikátoru byl očekáván ve fyzikálním smyslu, ale ne v chemickém smyslu   // Věda . - 1963. - Sv. 140 , č. 3567 . - S. 584-590 . - doi : 10.1126/science.140.3567.584 . - . — PMID 17737092 .
5. ↑ Martin David Kamen. „Zářivá věda, temná politika: monografie jaderného věku“ .
6. ↑ Bé MM, Chechev VP 14 C - Komentáře k vyhodnocení dat rozpadu . www.nucleide.org . LNHB. Získáno 8. června 2018. Archivováno z originálu dne 22. listopadu 2016. (neurčitý)
7. ↑ Kovaltsov GA, Mishev A., Usoskin IG Nový model kosmogenní produkce radiokarbonu 14 C v atmosféře  //  Earth and Planetary Science Letters. - 2012. - Sv. 337-338 . - S. 114-120 . — ISSN 0012-821X . - doi : 10.1016/j.epsl.2012.05.036 . - . - arXiv : 1206.6974 .
8. ↑ Poluianov SV et al. Produkce kosmogenních izotopů 7 Be, 10 Be, 14 C, 22 Na a 36 Cl v atmosféře: Výškové profily výnosových funkcí  //  Journal of Geophysical Research: Atmospheres. - 2016. - Sv. 121 . - S. 8125-8136 . - doi : 10.1002/2016JD025034 . - arXiv : 1606.05899 .
9. ↑ Baum EM a kol. (2002). Nuklidy a izotopy: Tabulka nuklidů. 16. vyd. Knolls Atomic Power Laboratory (Lockheed Martin).
10. ↑ Tans PP, de Jong AFM, Mook WG Přírodní atmosférická variace 14 C a Suessův  efekt  // Nature . - 1979. - Sv. 280 , č.p. 5725 . - S. 826-828 . - doi : 10.1038/280826a0 .
11. ↑ EPRI | Vliv provozu jaderné elektrárny na tvorbu uhlíku-14, chemické formy a uvolňování (nedostupný odkaz) . www.epri.com . Získáno 7. července 2016. Archivováno z originálu 18. srpna 2016. (neurčitý) 
12. ↑ EPRI | Metody výpočtu dávky uhlíku-14 v jaderných elektrárnách (nedostupný odkaz) . www.epri.com . Získáno 7. července 2016. Archivováno z originálu 18. srpna 2016. (neurčitý) 
13. ↑ James Conca. Radioaktivní diamantové baterie: Dobré využití jaderného odpadu  (anglicky) . Forbes . Datum přístupu: 26. září 2020.
14. ↑ Choppin GR, Liljenzin JO, Rydberg J. Radiochemistry and Nuclear Chemistry  . - 3. vydání - Butterworth-Heinemann, 2002. - ISBN 978-0-7506-7463-8 .
15. ↑ Radioaktivita v přírodním prostředí . In: Zpráva NCRP č. 93. Expozice obyvatelstva Spojených  států ionizujícím zářením . - Národní rada pro radiační ochranu a měření, 1987.
16. ↑ Uhlík-14 a životní prostředí . Ústav pro radiační ochranu a jadernou bezpečnost. (neurčitý)
17. ↑ Leenson I. A. Radioaktivita v nás  // Chemie a život. - 2009. - č. 7 . (Ruština)
18. ↑ Jsou naše těla radioaktivní? / Health Physics Society, 2014: "...Tělesný obsah 14 C pro 70kg osobu by byl asi 3,08 kBq".
19. ↑ Alikbaeva L. A., Afonin M. A. et al. Nová referenční kniha pro chemika a technologa: Radioaktivní látky. - Petrohrad. : Professional, 2004. - S. 266. - 1004 s.
20. ↑ Ilyin L. A., Kirillov V. F., Korenkov I. P. Radiační hygiena: učebnice. pro univerzity. - M. : GEOTAR-Media, 2010. - 384 s.
21. ↑ 1 2 Levchenko V.  Radiokarbon a absolutní chronologie: poznámky k tématu . - "Ruská vazba", 18. prosince 2001.
22. ↑ Příčiny, postup a příprava na dechovou zkoušku s C močovinou
23. ↑ Pokyny Společnosti nukleární medicíny pro postup C-14 Urea Breath Test (PDF). snm.org (23. června 2001). Datum přístupu: 4. července 2007. Archivováno z originálu 26. září 2007. (neurčitý)
24. ↑ Obninská pobočka NIFHI nich. L. Ya. Karpova slaví 50 let od spuštění reaktoru
25. ↑ Univerzita v Bristolu. Listopad: diamantová síla | Novinky a funkce | University of  Bristol . www.bristol.ac.uk . Datum přístupu: 26. září 2020.

Slovníky a encyklopedie	Velká Katalánština Britannica (online) Universalis