Открыть главное меню

Изотопы углерода

Изото́пы углеро́да — разновидности атомовядер) химического элемента углерода, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Углерод имеет два стабильных изотопа12C и 13C. Содержание этих изотопов в природном углероде равно соответственно 98,93 % и 1,07 %. Известны также 13 радиоактивных изотопов углерода (от 8C до 22C), из которых один — 14C — встречается в природе (его содержание в атмосферном углероде около 10−12). Углерод — лёгкий элемент, и его изотопы значительно различаются по массе, а значит и по физическим свойствам, поэтому во многих природных процессах происходит их разделение (фракционирование).

Таблица изотопов углеродаПравить

Символ
изотопа
Z (p) N (n)  
Масса, а.е.м.
 
Период полураспада Спин и
чётность ядра
Содержание изотопа
в природном элементе
Вариация содержания изотопа
в природном элементе
8C 6 2 8,037675(25) 2,0(4)×10−21 с (ширина распада 230(50) кэВ) 0+
9C 6 3 9,0310367(23) 126,5(9) мкс (3/2)
10C 6 4 10,0168532(4) 19,290(12) с 0+
11C 6 5 11,0114336(10) 20,334(24) мин 3/2
12C 6 6 12 по определению Стабилен 0+ 0,9893(8) 0,98853-0,99037
13C 6 7 13,0033548378(10) Стабилен 1/2 0,0107(8) 0,00963-0,01147
14C 6 8 14,003241989(4) 5,70(3)×103 лет 0+
15C 6 9 15,0105993(9) 2,449(5) с 1/2+
16C 6 10 16,014701(4) 0,747(8) с 0+
17C 6 11 17,022586(19) 193(5) мкс (3/2+)
18C 6 12 18,02676(3) 92(2) мкс 0+
19C 6 13 19,03481(11) 46,2(23) мкс (1/2+)
20C 6 14 20,04032(26) 16(3) мкс [14+6
−5
мкс]
0+
21C 6 15 21,04934(54) <30 нс (1/2+)
22C 6 16 22,05720(97) 6,2(13) мкс [6,1+14
−12
мкс]
0+
23C 6 17

Изотоп 14CПравить

Основная статья: Углерод-14

Помимо стабильных изотопов углерода в природе встречается радиоактивный изотоп 14C (радиоуглерод). Он образуется при облучении 14N нейтронами по следующей реакции:

 

Кроме азотной реакции, 14C может образовываться при нейтронном облучении изотопа кислорода 17O по реакции 17
8
O + n → 14
6
C + α
, однако в атмосфере содержание 17O крайне мало и этот путь образования 14C учитывается только в ядерных технологиях.

В природе 14C образуется в атмосфере из атмосферного азота-14 под действием космического излучения. С небольшой скоростью углерод-14 образуется и в земной коре.

Равновесное содержание 14C в земной атмосфере и биосфере по отношению к стабильному углероду составляет ~10−12. С начала активного использования ископаемого топлива (угля, нефти, газа) в атмосферу постоянно поступает углекислый газ, не содержащий радиоуглерода (распавшегося за миллионы лет), что приводит к постепенному уменьшению отношения 14C/12C в атмосфере; однако это разбавление атмосферного углерода нерадиоактивным ископаемым углеродом (так называемый эффект Зюсса (англ.)) привело за всё время с начала индустриализации (XVIII век) к уменьшению удельной активности 14C в атмосфере лишь на 1,5…2,5 %[1], а в океанах удельная активность 14C уменьшилась лишь на 0,2 %. Значительно более существенное и резкое изменение, начавшееся в 1945 году, связано с ядерными и особенно термоядерными взрывами в атмосфере, создающими большой поток нейтронов и превращающими атмосферный азот-14 в углерод-14 по вышеприведённой реакции. Этот эффект достиг максимума в середине 1960-х; общее содержание 14C в тропосфере Северного полушария увеличилось почти вдвое. После запрета ядерных испытаний в атмосфере тропосферное содержание 14C стало быстро уменьшаться (двукратное снижение каждые 12—16 лет) вследствие прихода к равновесию тропосферного резервуара с океаном, который обладает значительно большей ёмкостью, чем атмосфера, и почти не был затронут «бомбовым» радиоуглеродом. К настоящему времени атмосферное содержание 14C практически вернулось к значениям доядерной эры[2], составлявшим (на 1950 год, в пересчёте на удельную активность 14C), 226 Бк на 1 кг атмосферного углерода[3].

Образование 14C при ядерных взрывах стало одним из значимых факторов радиационного загрязнения[4], поскольку углерод участвует в обмене веществ живого организма и может накапливаться в нем.

Радиоуглеродный анализПравить

Основная статья: Радиоуглеродный анализ

Измерение радиоактивности органических веществ растительного и животного происхождения, обусловленной изотопом 14C, применяется для радиоуглеродного анализа возраста старинных предметов и природных образцов. Темп образования 14C в атмосфере Земли в каждый конкретный год измерен по содержанию данного изотопа в образцах с известными датировками, в различных годичных кольцах деревьев и пр. Поэтому и доля 14C в углеродном балансе тоже известна. Живой организм, поглощая углерод, поддерживает баланс 14C идентичным с окружающим миром. После гибели обновление углерода прекращается, и доля 14C постепенно уменьшается вследствие радиоактивного распада. Определяя количество 14C в образце, ученые могут оценить, как давно жил этот организм.

Стандарты изотопного состава углеродаПравить

Для описания изотопного состава углерода применяется стандарт PDB, название которого происходит от белемнитов из формации Peedee в Южной Каролине (США). Эти белемниты были выбраны в качестве стандарта по причине очень однородного изотопного состава.

Фракционирование изотопов углерода в природеПравить

В природе разделение изотопов углерода интенсивно происходит при относительно низких температурах. Растения при фотосинтезе избирательно поглощают лёгкий изотоп углерода. Степень фракционирования зависит от биохимического механизма связывания углерода. Большинство растений интенсивно накапливают 12C, и относительное содержание этого изотопа в их составе на 15—25  выше, чем в атмосфере. В то же время злаковые растения, наиболее распространённые в степных ландшафтах, слабо обогащены 12C и отклоняются от состава атмосферы лишь на 3—8 ‰

Фракционирование изотопов углерода происходит при растворении CO2 в воде и его испарении, кристаллизации и т. п.

Большое число научных работ посвящено изотопному составу углерода алмазов.

ПримечанияПравить

  1. Tans P. P., De Jong A. F. M., Mook W. G. Natural atmospheric 14C variation and the Suess effect (англ.) // Nature. — 1979. — Vol. 280, no. 5725. — P. 826—828. — ISSN 0028-0836. — DOI:10.1038/280826a0. [исправить]
  2. Hua Q., Barbetti M., Rakowski A. Z. Atmospheric Radiocarbon for the Period 1950–2010 (англ.) // Radiocarbon. — 2013. — Vol. 55, no. 4. — P. 2059—2072. — ISSN 0033-8222. — DOI:10.2458/azu_js_rc.v55i2.16177. [исправить]
  3. Carbon-14 and the environment. Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety. Архивировано 18 апреля 2015 года.
  4. А.Д. Сахаров РАДИОАКТИВНЫЙ УГЛЕРОД ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ И НЕПОРОГОВЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ

СсылкиПравить