Szén-14

A szén-14 ( 14 C, a radiocarbon , radiocarbon neveket és a C-14 rövidítést is használják) a szén kémiai elem 6 -os rendszámú és 14-es tömegszámú radioaktív nuklidja .

Felfedezés

A szén-14 az egyik természetes radioaktív izotóp. Létezésének első jeleit 1936-ban kapták, amikor W. Birch és M. Goldhaber brit fizikusok nitrogén-14 atommagokat sugároztak be lassú neutronokkal egy fényképészeti emulzióban, és felfedezték a 14 N( n , p ) 14 C reakciót [3] . 1940- ben Martin David Kamen és Samuel Reuben amerikai fizikusok el tudták izolálni a szén-14-et úgy, hogy egy ciklotronon deuteronokkal besugároztak egy grafitcélpontot ; A 13 C( d , p ) 14 C reakcióban 14 C keletkezett [ 4] . Felezési idejét később állapították meg (Martin Kamen első kísérleteiben 2700 és 4000 évet [5] , Willard Libby 1951-ben 5568 ± 30 évet vett fel ). A jelenleg javasolt 5,70 ± 0,3 ezer éves felezési időt a Nubase-2020 adatbázis [2] adja meg, és az 1960-as években végzett öt specifikus aktivitásmérésen alapul [6] .

Oktatás

A szén-14 a felső troposzférában és a sztratoszférában a nitrogén-14 atomok hőneutronjainak abszorpciója eredményeként képződik , ami viszont a kozmikus sugarak és a légköri anyag kölcsönhatásának eredménye:

A 14 N(n, p) 14 C eljárás keresztmetszete meglehetősen magas ( 1,83 barn ). 25-ször nagyobb, mint a versengő folyamat keresztmetszete , egy termikus neutron sugárzási befogása 14 N(n, γ ) 15 N . Vannak más reakciók is, amelyek kozmogén szén-14-et hoznak létre a légkörben, különösen 13 C(n, γ) 14 C és 17 O(n, α) 14 C. Ezek sebessége azonban sokkal alacsonyabb a szén-dioxid kisebb mennyisége miatt. kezdeti nuklidok és kisebb reakciókeresztmetszetek.

A szén-14 a legnagyobb sebességgel 9-15 km -es magasságban, magas geomágneses szélességeken képződik, de ekkor egyenletesen oszlik el a légkörben. A földfelszín minden négyzetméterén másodpercenként átlagosan 16 400-18 800 szén-14 atom keletkezik [7] [8] , bár a képződés sebessége a naptevékenységtől és egyéb tényezőktől függően ingadozhat. Éles és rövid időn belüli növekedést találtak a 14 C termelési sebességében ( Miyake események ), ami feltehetően egy nagyon erős napkitöréshez vagy a közeli gamma-kitöréshez kapcsolódik, például egy i.sz. 774-ben történt eseményhez. e. amikor az átlagosnál több mint háromszor annyi radiokarbon jelent meg a légkörben egyszerre, mint egy év alatt.

A szén-14 képződésének másik természetes csatornája a radioaktív sorozat részét képező néhány nehéz atommag klaszterbomlása , amely nagyon kis valószínűséggel fordul elő . Jelenleg a 224 Ra (tórium sorozat), a 223 Ra (urán-aktinium sorozat), a 226 Ra (urán-rádium sorozat) szén-14 atommagok kibocsátásával történő bomlást észleltek; hasonló folyamatot jósoltak meg, de kísérletileg nem mutattak ki más természetes nehéz atommagok esetében (a 221 Fr , 221 Ra , 222 Ra és 225 Ac , a természetben hiányzó nuklidok esetében is találtak szén-14 klaszteremissziót ). A radiogén szén-14 képződésének sebessége ezen a csatornán keresztül elhanyagolható a kozmogén szén-14 képződési sebességéhez képest [9] .

A nukleáris és különösen a termonukleáris fegyverek légköri kísérletei során az 1940-es és 1960-as években a szén-14 intenzíven keletkezett a légköri nitrogén nukleáris és termonukleáris robbanásokból származó termikus neutronokkal történő besugárzása következtében. Ennek eredményeként a légkör szén-14 tartalma nagymértékben megemelkedett (az ún. "bombacsúcs", lásd az ábrát), de ezt követően az óceánba való kibocsátás és az óceánba való kibocsátás következtében fokozatosan visszatért a korábbi értékeihez. egyéb tározók. Ennek az értéknek a csökkenése irányába hat egy másik technogén folyamat, amely a légkör átlagos [ 14 C]/[ 12 C] arányát befolyásolta: az iparosodás kezdetével (XVIII. század) a szén, olaj és földgáz elégetése. jelentősen megnőtt, vagyis a 14 C-ot nem tartalmazó ősi fosszilis szén kibocsátása a légkörbe (az ún. Suess-effektus ) [10] .

A magban vizet használó atomreaktorok szintén az ember által okozott szén-14 szennyezés forrásai [11] [12] , valamint a grafitmérsékelt reaktorok [13] .

A Földön a szén-14 teljes mennyiségét 8500 peta becquerelre (körülbelül 50 tonnára ) becsülik, ebből 140 PBq ( 840 kg ) a légkörben. A nukleáris kísérletek eredményeként a légkörbe és más környezetbe kerülő szén-14 mennyiségét 220 PBq -re ( 1,3 tonnára ) becsülik [14] .

Bomlás

A szén-14 β - bomláson megy keresztül , a bomlás eredményeként stabil 14 N nuklid keletkezik (felszabaduló energia 156,476 (4) keV [1] ):

A bomlási sebesség nem függ a környezet kémiai és fizikai tulajdonságaitól. Egy gramm atmoszférikus szén körülbelül 1,5 × 10 -12 g szén-14-et tartalmaz, és másodpercenként körülbelül 0,6 béta-részecskét bocsát ki ennek az izotópnak a bomlása miatt. Meg kell jegyezni, hogy a szén-14 ugyanolyan sebességgel bomlik le az emberi szervezetben; Minden másodpercben több ezer bomlás történik az emberi szervezetben. A keletkező béta-részecskék alacsony energiája miatt az ezen a csatornán keresztül érkező belső sugárzás ekvivalens dózisteljesítménye (0,01 mSv / év vagy 0,001 rem / év) kicsi a belső kálium-40 dózisteljesítményéhez (0,39 mSv / év). év). év) [15] . Az élő biomassza átlagos szén-14 fajlagos aktivitása szárazföldön 2009-ben 238 Bq / kg szén volt, közel a bomba előtti szinthez ( 226 Bq/kg C ; 1950) [16] .

Biológiai szerep

A szén-14 a második (a kálium-40 után ) forrása az emberi test eltávolíthatatlan belső radioaktivitásának [17] . Különböző becslések szerint 3,1 [18] -3,7 [19] [20] kBq hozzájárulása a feltételesen átlagosan 70 kg tömegű emberi test radioaktivitásához .

Használat

Radioizotópos társkereső

A szén-14 folyamatosan képződik a légkörben a nitrogén-14- ből a kozmikus sugarak hatására. Az űraktivitás jelenlegi szintjén a légkör "közönséges" (szén-12) szén-14-tartalma hozzávetőlegesen 1:10-re 12 becsülhető . A közönséges szénhez hasonlóan a 14 C is reakcióba lép az oxigénnel , szén-dioxidot képezve , amelyre a növényeknek szükségük van a fotoszintézis során . Az emberek és a különféle állatok ezután táplálékként fogyasztják a növényeket és a belőlük készült termékeket, így a szén-14-et is felszívják. Ugyanakkor a szénizotópok [ 14 C]: [ 13 C]: [ 12 C] koncentrációarányai gyakorlatilag ugyanazok, mint a légkörben; Az izotópos frakcionálás a biokémiai reakciókban csak néhány ppm-mel változtatja meg ezeket az arányokat, ami figyelembe vehető [21] .

Egy elhalt élő szervezetben a szén-14 fokozatosan lebomlik, miközben a stabil szénizotópok változatlanok maradnak. Vagyis az izotópok aránya idővel változik. Ez lehetővé tette ennek az izotópnak a felhasználását a kor radioizotópos kormeghatározással történő meghatározására bioanyagok és egyes szervetlen minták 6000 éves korig történő kormeghatározása során . Leggyakrabban a régészetben, a glaciális és posztglaciális geológiában, valamint a légkörfizikában, a geomorfológiában, a glaciológiában, a hidrológiában és a talajtudományban, a kozmikus sugárzás fizikában, a napfizikában és a biológiában használják, nemcsak kormeghatározásra, hanem mint pl. különféle természetes folyamatok nyomkövetője [21] .

Az orvostudományban

A Helicobacter pylori fertőzés kimutatására használják a gyomor-bél traktusban . A páciens 14 C-os karbamid készítményt kap, H. pylori fertőzés esetén a bakteriális ureáz enzim a karbamidot ammóniává és radioaktívan jelölt szén-dioxiddá bontja, ami a beteg leheletében kimutatható [22] [23] . Ma a jelölt 14 C atomon alapuló tesztet egy stabil 13 C-os teszt váltja fel , amely nem jár sugárzási kockázattal.

Oroszországban a 14 C-on alapuló radiofarmakonokat az L. Ya. Karpovról elnevezett Fizikai és Kémiai Kutatóintézet Obnyinszki részlege állítja elő [24] .

Radioizotópos energiaforrások

Létezik olyan koncepció, hogy a szén-14-et radioizotópos energiaforrásként használják. Tartalmaz egy 14 C -os gyémántszerű bevonatot béta forrásként és egy további normál szén bevonatot a szükséges félvezető csomópont és szén-14 tokozás létrehozásához. Egy ilyen akkumulátor kis mennyiségű villamos energiát termel több ezer évig [25] .

Lásd még

• radiokarbon elemzés
• Csúcs szén-14 774-ben
• Miyake események

Jegyzetek

1. ↑ 1 2 3 4 5 Meng Wang , Huang WJ , Kondev FG , Audi G. , Naimi S. Az Ame2020 atomtömeg-értékelése (II.). Táblázatok, grafikonok és hivatkozások  (angol nyelven)  // 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. A Nubase2020 értékelése a nukleáris tulajdonságokról  // Chinese Physics  C. - 2021. - Kt. 45 , iss. 3 . - P. 030001-1-030001-180 . - doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
3. ↑ Burcham WE , Goldhaber M. A nitrogén szétesése lassú neutronok által  //  Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. - 1936. - December ( 32. évf. , 04. sz.). - P. 632-636 . - doi : 10.1017/S0305004100019356 .
4. ↑ Kamen MD A Carbon-14 korai története: Ennek a rendkívül fontos nyomjelzőnek a felfedezése fizikai értelemben várható volt, de kémiai értelemben nem   // Tudomány . - 1963. - 1. évf. 140 , sz. 3567 . - P. 584-590 . - doi : 10.1126/tudomány.140.3567.584 . - . — PMID 17737092 .
5. ↑ Martin David Kamen. "Sugárzó tudomány, sötét politika: az atomkorszak emlékirata".
6. ↑ Bé MM, Chechev VP 14 C - Megjegyzések a bomlási adatok értékeléséhez . www.nucleide.org . LNHB. Letöltve: 2018. június 8. Az eredetiből archiválva : 2016. november 22. (határozatlan)
7. ↑ Kovaltsov GA, Mishev A., Usoskin IG A 14 C radiokarbon kozmogén előállításának új modellje a légkörben  //  Föld- és bolygótudományi levelek. - 2012. - Kt. 337-338 . - 114-120 . o . — ISSN 0012-821X . - doi : 10.1016/j.epsl.2012.05.036 . - Iránykód . - arXiv : 1206.6974 .
8. ↑ Poluianov SV et al. A 7 Be, 10 Be, 14 C, 22 Na és 36 Cl kozmogén izotópok előállítása a légkörben: A hozamfüggvények magassági profiljai  //  Journal of Geophysical Research: Atmospheres. - 2016. - Kt. 121 . - P. 8125-8136 . - doi : 10.1002/2016JD025034 . - arXiv : 1606.05899 .
9. ↑ Baum EM et al. (2002). Nuklidok és izotópok: Nuklidok diagramja. 16. kiadás Knolls Atomic Power Laboratory (Lockheed Martin).
10. ↑ Tans PP, de Jong AFM, Mook WG Természetes légköri 14 C-os variáció és a Suess-  effektus  // Természet . - 1979. - 1. évf. 280 , sz. 5725 . - P. 826-828 . - doi : 10.1038/280826a0 .
11. ↑ EPRI | Az atomerőművi műveletek hatása a szén-14 előállítására, kémiai formáira és kibocsátására (nem elérhető link) . www.epri.com . Letöltve: 2016. július 7. Az eredetiből archiválva : 2016. augusztus 18.. (határozatlan) 
12. ↑ EPRI | Carbon-14 dózisszámítási módszerek az atomerőművekben (nem elérhető link) . www.epri.com . Letöltve: 2016. július 7. Az eredetiből archiválva : 2016. augusztus 18.. (határozatlan) 
13. ↑ James Conca. Radioaktív gyémánt akkumulátorok: A nukleáris hulladék jó hasznosítása  (angol) . Forbes . Hozzáférés időpontja: 2020. szeptember 26.
14. ↑ Choppin GR, Liljenzin JO, Rydberg J. Radiochemistry and Nuclear Chemistry  . - 3. kiadás - Butterworth-Heinemann, 2002. - ISBN 978-0-7506-7463-8 .
15. ↑ Radioaktivitás a természetes környezetben . In: NCRP Report No. 93. Az Egyesült  Államok lakosságának kitettsége ionizáló sugárzással . - Országos Sugárvédelmi és Sugármérési Tanács, 1987.
16. ↑ A szén-14 és a környezet . Sugárvédelmi és Nukleáris Biztonsági Intézet. (határozatlan)
17. ↑ Leenson I. A. Radioaktivitás bennünk  // Kémia és élet. - 2009. - 7. sz . (Orosz)
18. ↑ Testünk radioaktív? / Health Physics Society, 2014: "... 14 C-os testtartalom egy 70 kg-os embernél körülbelül 3,08 kBq lenne".
19. ↑ Alikbaeva L. A., Afonin M. A. et al. Új kézikönyv egy vegyész és technológus számára: Radioaktív anyagok. - Szentpétervár. : Szakmai, 2004. - S. 266. - 1004 p.
20. ↑ Iljin L. A., Kirillov V. F., Korenkov I. P. Sugárhigiénia : tankönyv. egyetemek számára. - M. : GEOTAR-Média, 2010. - 384 p.
21. ↑ 1 2 Levchenko V.  Radiocarbon és abszolút kronológia: jegyzetek a témához . - „Orosz kötés”, 2001. december 18.
22. ↑ A karbamiddal végzett kilégzési teszt okai, eljárása és előkészületei
23. ↑ A Nukleáris Medicina Társaságának eljárási útmutatója a C-14 karbamid légzési teszthez (PDF). snm.org (2001. június 23.). Hozzáférés dátuma: 2007. július 4. Az eredetiből archiválva : 2007. szeptember 26.. (határozatlan)
24. ↑ Obninsk ága NIFHI őket. L. Ya. Karpova ünnepli a reaktor elindításának 50. évfordulóját
25. ↑ Bristoli Egyetem. november: gyémánt-erő | Hírek és szolgáltatások |  Bristoli Egyetem . www.bristol.ac.uk . Hozzáférés időpontja: 2020. szeptember 26.

Szótárak és enciklopédiák	Nagy katalán Britannica (online) Universalis