Szén -14 - Carbon-14

Szén-14,  14 C
Tábornok
Szimbólum 14 C
Nevek szén-14, C-14, radiokarbon
Protonok 6
Neutronok 8
Nuklid adatok
Természetes bőség 1 rész ezermilliárdonként
Fél élet 5730 ± 40 év
Izotóp tömege 14.0032420 u
Spin 0+
Bomlási módok
Bomlási mód Bomlási energia ( MeV )
Béta 0,156476
A szén izotópjai
A nuklidok teljes táblázata

Szén-14 ( 14 C), vagy a radiokarbon , egy radioaktív izotóp a szén- egy atommag tartalmazó 6 protonok és 8 neutronok . Jelenléte szerves anyagok alapján a radiokarbon -módszer, úttörői Willard Libby és munkatársai (1949) eddigi régészeti, geológiai és hidrogeológiai mintákat. A szén-14-ben fedezték fel február 27-én, 1940-ben, a Martin Kamen és Sam Ruben a University of California Radiation Laboratory in Berkeley, Kalifornia . Létezését Franz Kurie sugallta 1934 -ben.

Három természetben előforduló izotópok szén a Földön: a szén-12 , ami akár 99% -át a szén a Földön; szén-13 , amely 1%-ot tesz ki; és szén-14, amely nyomokban fordul elő, és a légkörben lévő 10 12 szénatomra körülbelül 1 vagy 1,5 atomot alkot. A szén-12 és a szén-13 egyaránt stabil, míg a szén-14 instabil, és felezési ideje 5730 ± 40 év. A szén-14 béta-bomlás révén nitrogén-14-re bomlik . Egy gramm szénatomot tartalmazó 1 atom szén-14 per 10 12 atom bocsát ki ~ 0,2 béta-részecskék másodpercenként. A szén-14 elsődleges természetes forrása a Földön a kozmikus sugárzás a légkörben lévő nitrogén hatására, ezért kozmogén nuklid . Az 1955 és 1980 közötti szabadtéri nukleáris kísérletek azonban hozzájárultak ehhez a poolhoz.

A szén különböző izotópjai kémiai tulajdonságaikban nem különböznek jelentősen egymástól. Ezt a hasonlóságot használják a kémiai és biológiai kutatásokban, a szén-jelölésnek nevezett technikában : a szén-14 atomok használhatók a nem radioaktív szén helyettesítésére, annak érdekében, hogy nyomon lehessen követni bármely szerves vegyület szénatomjait érintő kémiai és biokémiai reakciókat.

Radioaktív bomlás és észlelés

A szén-14 radioaktív béta-bomláson megy keresztül :

14
6
C
14
7
N
+
e-
+
ν
e
+ 156,5 keV

Elektron és antineutrin elektron kibocsátásával a szén-14 atom egyik neutronja bomlik protonra, és a szén-14 ( felezési ideje 5700 ± 40 év) bomlik a stabil (nem radioaktív) izotóp nitrogén- 14 .

A béta -bomláshoz hasonlóan szinte minden bomlási energiát a béta -részecske és a neutrínó visz el. A kibocsátott béta részecskék maximális energiája körülbelül 156 keV, míg súlyozott átlagos energiájuk 49 keV. Ezek viszonylag alacsony energiák; a maximális megtett távolság becslések szerint 22 cm levegőben és 0,27 mm testszövetben. Az elhalt bőrrétegen keresztül továbbított sugárzás töredéke 0,11. A kis mennyiségű szén-14 nem könnyen észlelhető a tipikus Geiger – Müller (GM) detektorokkal ; becslések szerint a GM -detektorok általában nem észlelnek percenként 100 000 -nél kisebb szétesést (0,05 µCi). A folyékony szcintillációs számlálás az előnyben részesített módszer. A GM -számlálás hatékonysága 3%. A fél távolság vízben 0,05 mm.

Rádiószén -kormeghatározás

A radiokarbon -kormeghatározás egy radiometrikus kormeghatározási módszer, amely ( 14 C) segítségével határozza meg a széntartalmú anyagok életkorát körülbelül 60 000 éves korig. A technikát Willard Libby és munkatársai dolgozták ki 1949 -ben, a Chicagói Egyetem professzora alatt . Libby becslése szerint a cserélhető szén-14 radioaktivitása körülbelül 14 szétesés percenként (dpm) / gramm tiszta szén, és ezt a mai napig használják a modern radioaktív szén-dioxid-szabvány tevékenységeként . 1960 -ban Libby kémiai Nobel -díjat kapott ezért a munkáért.

A technika egyik gyakori felhasználása a régészeti lelőhelyekről származó szerves maradványok mai napig történő felhasználása. Növények fix légköri szén-fotoszintézis során így a szint a 14 C a növényekben és állatokban, amikor meghalnak körülbelül megegyezik az szintjét 14 C a légkörben az időben. Ezt követően azonban csökken a radioaktív bomlás következtében, lehetővé téve a halál vagy rögzítés időpontjának becslését. A számítás kezdeti 14 C szintje megbecsülhető, vagy közvetlenül összehasonlítható a fa-gyűrű adataiból ( dendrokronológia ) származó, évről-évre ismert ismert adatokkal akár 10 000 évvel ezelőtt is (egy adott és élő fák átfedő adatainak felhasználásával) terület), vagy pedig a barlangi lerakódásokból ( speleothems ), a jelen előtt mintegy 45 000 évvel. Egy számítás vagy (pontosabban) a minta szén-14 szintjének közvetlen összehasonlítása egy ismert korú fagyűrűvel vagy barlangi lerakódású szén-14-szinttel, majd megadja a fa- vagy állatmintát a keletkezés óta eltelt időtől. A rádiószénet a természetes ökoszisztémák zavarainak észlelésére is használják; például a tőzegvidéki tájakon a radioaktív szén -dioxid jelezheti, hogy a szerves talajokban korábban tárolt szén felszabadul a föld felszabadulása vagy az éghajlatváltozás miatt.

Eredet

Természetes termelés a légkörben

1: A szén-14 képződése
2: A szén-14 bomlása
3: Az "egyenlő" egyenlet az élő szervezetekre vonatkozik, az egyenlőtlen pedig az elhalt szervezetekre, amelyekben a C-14 ezután bomlik (lásd 2).

A szén-14 termelődik a felső réteg a troposzférában és a sztratoszféra által termikus neutronok által abszorbeált nitrogén- atomok. Amikor a kozmikus sugarak belépnek a légkörbe, különböző átalakulásokon mennek keresztül, beleértve a neutronok termelését . A kapott neutronok ( 1 n) a következő np reakcióban vesznek részt :

n + 14
7
N
14
6
C
+ o

A legmagasabb szén-14-termelési arány 9-15 km magasságban és nagy geomágneses szélességeken megy végbe .

A 14 C -os termelés mértéke modellezhető, így a Föld felszínének négyzetméterenként 16 400 vagy 18 800 14 C -os atom értéket kapunk másodpercenként, ami megegyezik a globális szén -dioxid -költségvetéssel, amely felhasználható a visszalépéshez, de megpróbálja mérni a termelést a közvetlen in situ idő nem volt túl sikeres. A termelési sebesség változik a kozmikus sugárzás fluxusának a helioszférikus moduláció (napszél és napmágneses mező) által okozott változásai miatt, és nagy jelentőséggel bír a Föld mágneses mezőjének változása miatt . A szénciklus változásai azonban megnehezíthetik az ilyen hatások elkülönítését és számszerűsítését. Esetenként tüskék fordulhatnak elő; például bizonyíték van a szokatlanul magas termelési arányra a Kr. u. 774–775 között , amelyet egy extrém napenergiás részecske -esemény okozott, amely az elmúlt tíz évezredben volt a legerősebb. Egy másik "rendkívül nagy" 14 C -os emelkedés (2%) az i. E. 5480 -as eseményhez kapcsolódik, ami nem valószínű, hogy napenergiás részecske -esemény lesz.

A szén-14 villámgyártással is előállítható, de globális szinten elhanyagolható mennyiségben a kozmikus sugárzáshoz képest. A mintamaradványok által okozott felhő-talaj kisülés helyi hatásai nem egyértelműek, de valószínűleg jelentősek.

Egyéb szén-14 források

A szén-14 más neutronreakciókkal is előállítható, beleértve különösen a 13 C (n, γ) 14 C és 17 O (n, α) 14 C termikus neutronokkal , valamint a 15 N (n, d) 14 C és 16 O (n, 3 He) 14 C gyors neutronokkal . A 14 C termelés legjelentősebb útvonalait a célpontok termikus neutron besugárzásával (pl. Atomreaktorban) a táblázat foglalja össze.

A szén-14 is radiogen ( klaszter bomlási a 223 Ra, 224 Ra, 226 Ra). Ez az eredet azonban rendkívül ritka.

14 C gyártási útvonalak
Szülő izotóp Természetes bőség, % Keresztmetszet a termikus neutronbefogáshoz , b Reakció
14 N 99,634 1.81 14 N (n, p) 14 ° C
13 C 1.103 0,0009 13 C (n, γ) 14 C
17 O 0,0383 0,235 17 O (n, α) 14 ° C

Kialakulás nukleáris kísérletek során

Légköri 14 C, Új -Zéland és Ausztria . Az új -zélandi görbe reprezentatív a déli féltekén, az osztrák görbe az északi féltekén. A légköri atomfegyver -tesztek csaknem megduplázták a 14 C -os koncentrációt az északi féltekén. A megjegyzésekkel ellátott PTBT címke a részleges nukleáris tesztek tilalmáról szóló szerződés képviselője .

Az 1955 és 1980 között több országban végrehajtott föld feletti nukleáris kísérletek (lásd a nukleáris tesztek listáját) drámaian megnövelték a szén-14 mennyiségét a légkörben, majd ezt követően a bioszférában; a vizsgálatok befejezése után az izotóp légköri koncentrációja csökkenni kezdett, mivel a radioaktív CO 2 rögzült a növényi és állati szövetekben, és feloldódott az óceánokban.

A légköri szén-14 változásának egyik mellékhatása az, hogy ez lehetővé tett néhány lehetőséget (pl. Bombaimpulzus-kormeghatározás ) az egyén születési évének meghatározására, különösen a fogzománcban lévő szén-14 mennyiségét , vagy a szén-14 koncentráció a szemlencsében.

2019-ben a Scientific American arról számolt be, hogy az atombomba-tesztelésből származó szén-14-et a vízi állatok testében találtak, amelyek a Föld egyik legnehezebben megközelíthető vidékén , a Csendes-óceán Mariana-árokjában találhatók.

Az atomerőművekből származó kibocsátások

A szén-14 forrásban lévő vízreaktorokban (BWR) és nyomás alatti vízreaktorokban (PWR) hűtőfolyadékban keletkezik. Ez általában a légkörbe formájában a szén-dioxid a BWR reaktorokban, és a metán a nyomottvizes. A szén-14 atomerőmű-üzemeltetői kezelésének legjobb gyakorlata magában foglalja az éjszakai kibocsátást, amikor az erőművek nem fotoszintetizálnak . A szén-14 a nukleáris üzemanyagok belsejében is keletkezik (némelyik az urán-oxidban lévő oxigén átalakulása miatt, de leginkább a nitrogén-14 szennyeződések transzmutációja miatt), és ha a kiégett fűtőelemet nukleáris újrafeldolgozásba küldik, akkor a szén-14 felszabadul. , például CO 2 -ként a PUREX során .

Esemény

Diszperzió a környezetben

A felső légkörben történő előállítás után a szén-14 atomok gyorsan reagálnak, és többnyire (kb. 93%) 14 CO ( szén-monoxid ) képződnek, amely ezt követően lassabban oxidálódik, és 14 CO 2 radioaktív szén-dioxidot képez . A gáz gyorsan keveredik, és egyenletesen oszlik el a légkörben (a keverési idők hetekben). A szén -dioxid vízben is oldódik, és így áthatja az óceánokat , de lassabban. A 14 CO 2 eltávolítására vonatkozó légköri felezési idő becslések szerint nagyjából 12-16 év az északi féltekén. Az óceán sekély rétege és az óceán mélyén lévő nagy bikarbonát -tároló között az átvitel korlátozott sebességgel történik. 2009 -ben a 14 C -os aktivitás 238 Bq/kg szén -dioxid friss szárazföldi biomassza volt, közel a légköri nukleáris kísérletek előtti értékekhez (226 Bq/kg C; 1950).

Teljes készlet

A szén-14 leltára a Föld bioszférájában körülbelül 300 megakuriát (11  E Bq ) tartalmaz, ebből a legtöbb az óceánokban található. A következő szén-14 leltárt adtuk meg:

  • Globális készlet: ~ 8500 PBq (kb. 50 t )
    • Légkör: 840 kg (140 PBq)
    • Földi anyagok: a mérleg
  • A nukleáris kísérletektől (1990 -ig): 220 PBq (1,3 t)

Fosszilis tüzelőanyagokban

Sok mesterséges vegyi anyag fosszilis tüzelőanyagokból (például kőolajból vagy szénből ) származik, amelyekben a 14 ° C nagyon kimerült, mivel a fosszíliák kora messze meghaladja a 14 ° C felezési idejét . 14 CO 2- vagy inkább a relatív hiánya ezért a fosszilis tüzelőanyagok oxidációjának relatív hozzájárulását (vagy keverési arányát ) határozzák meg a Föld légkörének adott régiójában lévő teljes széndioxidhoz .

A megkövesedett széntartalmú anyag meghatározott mintájának randevúzása bonyolultabb. Az ilyen lerakódások gyakran nyomokban szén-14-et tartalmaznak. Ezek a mennyiségek jelentősen eltérhetnek a minták között, az élő szervezetekben talált arány legfeljebb 1% -áig terjedhetnek, ami 40 000 éves látszólagos életkorhoz hasonló koncentráció. Ez arra utalhat, hogy kis mennyiségű baktérium, föld alatti sugárforrás okozhat lehetséges szennyeződést, ami 14 N (n, p) 14 C reakciót okoz , közvetlen uránbomlást (bár a jelentett mért 14 C/U arány az uránt tartalmazó ércekben nagyjából 1 uránatom minden két szénatomra annak érdekében, hogy a 14 C/ 12 C arány 10-15 nagyságrendű legyen ), vagy más ismeretlen másodlagos szén-14-forrás. A szén-14 jelenléte a széntartalmú anyag mintájának izotóp aláírása során valószínűleg azt jelzi, hogy biogén forrásokkal szennyeződik, vagy radioaktív anyag bomlik a környező geológiai rétegekben. A Borexino szoláris neutrínó obszervatórium építésével összefüggésben kőolaj -nyersanyagot (az elsődleges szcintillátor szintetizálására) kaptak alacsony 14 C -tartalommal. A Borexino Counting Test Facility -ben 1,94 × 10 −18 14 C/ 12 C arányt határoztak meg; valószínű reakciók felelősek változtatható szintjeit 14 C-on különböző ásványolaj víztározók , és az alsó 14 C szint metán, már tárgyalt által Bonvicini et al.

Az emberi testben

Mivel sok emberi táplálékforrás végső soron szárazföldi növényekből származik, a szervezetünkben a szén-14 relatív koncentrációja közel azonos a légkörben lévő relatív koncentrációval. A kálium-40 és a szén-14 szétesésének sebessége a normál felnőtt testben összehasonlítható (néhány ezer szétesett mag másodpercenként). A béta-bomlások a külső (környezeti) radiokarbon hozzájárulnak mintegy 0,01 mSv / év (1 mrem / év), hogy minden egyes ember adagja az ionizáló sugárzás . Ez kicsi a kálium-40 (0,39 mSv/év) és a radon (változó) dózisához képest .

A Carbon-14 radioaktív nyomjelzőként használható az orvostudományban. A karbamid légzésvizsgálat kezdeti változatában a Helicobacter pylori diagnosztikai tesztjét , a körülbelül 37 kBq (1,0  μCi ) szén-14- gyel jelölt karbamidot  adagolják a betegnek (azaz 37 000 bomlás másodpercenként). Abban az esetben, ha a H. pylori fertőzés, bakteriális ureáz enzim lebontja a karbamidot ammónia és radioaktívan jelzett szén-dioxid , amely kimutatható az alacsony-szintű számlálása a beteg levegőt. A 14 C -os karbamid -légzésvizsgálatot nagyrészt felváltotta a 13 C -os karbamid -levegőteszt, amelynek nincs sugárzási problémája.

Lásd még

Hivatkozások

További irodalom

Külső linkek


Öngyújtó:
szén-13
A Carbon-14 a szén
izotópja
Nehezebb:
szén-15
Bomlásterméke :
bór-14 , nitrogén-18

A szén-14 bomlási lánca
Bomlik :
nitrogén-14