Углерод-14

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:

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

Сечение процесса ¹⁴N(n,p)¹⁴C довольно высоко (1,83 барн). Оно в 25 раз выше, чем сечение конкурирующего процесса — радиативного захвата теплового нейтрона ¹⁴N(n,γ)¹⁵N. Существуют и другие реакции, создающие в атмосфере космогенный углерод-14, в частности ¹³C(n,γ)¹⁴C и ¹⁷O(n,α)¹⁴C. Однако их скорость значительно ниже ввиду меньшей распространённости исходных нуклидов и меньших сечений реакции.

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 кластерный распад некоторых тяжёлых ядер, входящих в радиоактивные ряды. В настоящее время обнаружен распад с эмиссией углерода-14 ядер ²²⁴Ra (ряд тория), ²²³Ra (ряд урана-актиния), ²²⁶Ra (ряд урана-радия); предсказан, но экспериментально не обнаружен аналогичный процесс для других природных тяжёлых ядер (кластерная эмиссия углерода-14 обнаружена также для отсутствующих в природе нуклидов ²²¹Fr, ²²¹Ra, ²²²Ra и ²²⁵Ac). Скорость образования радиогенного углерода-14 по этому каналу пренебрежимо мала по сравнению со скоростью образования космогенного углерода-14^[9].

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^[en])^[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 петабеккерелей (около 50 тонн), в том числе в атмосфере 140 ПБк (840 кг). Количество углерода-14, попавшего в атмосферу и другие среды в результате ядерных испытаний, оценивается в 220 ПБк (1,3 тонны)^[14].

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 эквивалентной дозы внутреннего облучения, получаемого по этому каналу (0,01 мЗв/год, или 0,001 бэр/год), невелика по сравнению с мощностью дозы от внутреннего калия-40 (0,39 мЗв/год)^[15]. Средняя удельная активность углерода-14 живой биомассы на суше в 2009 году составляла 238 Бк на 1 кг углерода, близко к значениям до бомбового пика (226 Бк/кг C; 1950)^[16].

Углерод-14 является вторым (после калия-40) по значимости источником неустранимой собственной радиоактивности человеческого организма^[17]. Его вклад в радиоактивность условного среднего человеческого тела массой 70 кг по различным оценкам составляет 3,1^[18]—3,7^[19][20] кБк.

Радиоизотопное датирование

Углерод-14 постоянно образуется в атмосфере из азота-14 под воздействием космических лучей. Для современного уровня космической активности можно оценить относительное содержание углерода-14 по отношению к «обычному» (углероду-12) в атмосфере как примерно 1:10¹². Как и обычный углерод, ¹⁴C вступает в реакцию с кислородом, образуя углекислый газ, который нужен растениям в процессе фотосинтеза. Люди и различные животные затем потребляют растения и изготовленные из них продукты в пищу, усваивая таким образом и углерод-14. При этом соотношения концентраций изотопов углерода [¹⁴C]: [¹³C]: [¹²C] сохраняются практически такими же, как в атмосфере; изотопное фракционирование в биохимических реакциях изменяет эти соотношения лишь на несколько промилле, что может быть учтено^[21].

В умершем живом организме углерод-14 постепенно распадается, а стабильные изотопы углерода остаются без изменений. То есть соотношение изотопов изменяется с течением времени. Это позволило использовать данный изотоп для установления возраста методом радиоизотопного датирования при датировании биоматериалов и некоторых неорганических образцов возраста до 60 000 лет. Наиболее часто используется в археологии, в ледниковой и постледниковой геологии, а также в физике атмосферы, геоморфологии, гляциологии, гидрологии и почвоведении, в физике космических лучей, физике Солнца и в биологии, не только для датировок, но и как трассёр различных природных процессов^[21].

В медицине

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 радиофармпрепараты на основе ¹⁴C производит Обнинский филиал Научно-исследовательского физико-химического института имени Л. Я. Карпова^[24].

Радиоизотопные источники энергии

Существует концепция использования углерода-14 в качестве радиоизотопного источника энергии. В нём содержится алмазоподобное покрытие из ¹⁴C в качестве источника бета-излучения и дополнительное такое же покрытие с нормальным углеродом для создания необходимого полупроводникового перехода и инкапсуляции углерода-14. Такая батарея будет вырабатывать небольшое количество электроэнергии в течение тысяч лет^[25].

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