Углерод-14

Углерод-14
Название, символ	Углерод-14, 14C
Альтернативные названия	радиоуглеро́д, радиокарбо́н
Нейтронов	8
Свойства нуклида
Атомная масса	14,003241989(4)[1] а. е. м.
Дефект массы	3019,893(4)[1] кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон)	7520,3198(4)[1] кэВ
Период полураспада	5,70(3)⋅103[2] лет
Продукты распада	14N
Спин и чётность ядра	0+[2]
Канал распада Энергия распада β− 0,1564765(37)[1] МэВ
Таблица нуклидов
Медиафайлы на Викискладе

Углеро́д-14 (¹⁴C, используются также названия радиоуглеро́д, радиокарбо́н и сокращение C-14) — радиоактивный

Углерод-14 является одним из природных радиоактивных изотопов. Первые указания на его существование были получены в 1936 году, когда британские физики У. Бёрчем и М. Голдхабер облучали медленными нейтронами ядра азота-14 в фотоэмульсии и обнаружили реакцию ¹⁴N(n,p)¹⁴C^[3]. В 1940 году углерод-14 смогли выделить американские физики Мартин Дэвид Кеймен и Самуэл Рубен, облучавшие на циклотроне графитовую мишень дейтронами; ¹⁴C образовывался в реакции ¹³C(d,p)¹⁴C^[4]. Его период полураспада был установлен позже (Мартин Кеймен в своих первых экспериментах получил 2700 и 4000 лет^[5], Уиллард Либби в 1951 году принял период полураспада в 5568 ± 30 лет). Современное рекомендованное значение периода полураспада 5,70 ± 0,03 тыс. лет приведено в базе данных Nubase-2020^[2] и основано на пяти экспериментах по измерению удельной активности, проведённых в 1960-х годах^[6].

Углерод-14 образуется в верхних слоях тропосферы и стратосфере в результате поглощения атомами азота-14 тепловых нейтронов, которые в свою очередь являются результатом взаимодействия космических лучей и вещества атмосферы:

${\displaystyle \mathrm {~_{0}^{1}n} +\mathrm {~_{7}^{14}N} \rightarrow \mathrm {~_{6}^{14}C} +\mathrm {~_{1}^{1}H} .}$

С наибольшей скоростью углерод-14 образуется на высоте от 9 до 15 км на высоких геомагнитных широтах, однако затем он равномерно распределяется по всей атмосфере. В секунду над каждым квадратным метром земной поверхности в среднем образуется от 16 400 до 18 800 атомов углерода-14[7]^[8], хотя скорость образования может колебаться в зависимости от солнечной активности и других факторов. Обнаружены резкие и короткие увеличения скорости образования ¹⁴C (события Мияке), предположительно связанные с очень мощной солнечной вспышкой или близким гамма-всплеском, например событие в 774 году н. э., когда в атмосфере одномоментно возникло в три с лишним раза больше радиоуглерода, чем в среднем образуется за год.

Ещё один природный канал образования углерода-14 — происходящий с очень малой вероятностью

При испытаниях ядерного и особенно термоядерного оружия в атмосфере в 1940—1960-х годах углерод-14 интенсивно образовывался в результате облучения атмосферного азота тепловыми нейтронами от ядерных и термоядерных взрывов. В результате содержание углерода-14 в атмосфере сильно возросло (так называемый «бомбовый пик», см. рис.), однако впоследствии стало постепенно возвращаться к прежним значениям ввиду ухода в океан и прочие резервуары. Другой техногенный процесс, повлиявший на среднее отношение [¹⁴C]/[¹²C] в атмосфере, действует в направлении уменьшения этой величины: с началом индустриализации (XVIII век) значительно увеличилось сжигание угля, нефти и природного газа, то есть выброс в атмосферу древнего ископаемого углерода, не содержащего ¹⁴C (так называемый эффект Зюсса^[англ.])^[10].

Ядерные реакторы, использующие воду в активной зоне, также являются источником техногенного загрязнения углеродом-14^[11][12], также как и реакторы с графитовым замедлителем^[13].

Общее количество углерода-14 на Земле оценивается в 8500 пета

Углерод-14 претерпевает β⁻-распад, в результате распада образуется стабильный нуклид ¹⁴N (выделяемая энергия 156,476(4) кэВ^[1]):

${\displaystyle \mathrm {~_{6}^{14}C} \rightarrow \mathrm {~_{7}^{14}N} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}.}$

Скорость распада не зависит от химических и физических свойств окружения. Грамм атмосферного углерода содержит около 1,5×10⁻¹² г углерода-14 и излучает около 0,6 бета-частиц в секунду за счёт распада этого изотопа. С этой же скоростью углерод-14 распадается и в человеческом теле; каждую секунду в организме человека происходит несколько тысяч распадов. Ввиду малой энергии образующихся бета-частиц мощность

Углерод-14 постоянно образуется в атмосфере из

Используется для определения заражения желудочно-кишечного тракта Helicobacter pylori. Пациенту дают препарат мочевины с содержанием ¹⁴C. В случае инфекции H.pylori бактериальный фермент уреазы разрушает мочевину в аммиак и радиоактивно меченый углекислый газ, который может быть обнаружен в дыхании пациента^[22][23]. Сегодня тест на основе меченых атомов ¹⁴C стараются заменять на тест со стабильным ¹³C, который не связан с радиационными рисками.

В России

Существует концепция использования углерода-14 в качестве радиоизотопного источника энергии. В нём содержится

• Радиоуглеродный анализ
• Пик углерода-14 в 774 году
• События Мияке