Как найти период полураспада углерода

Key Questions

• Radioisotopes are atoms which have an unstable nucleus, meaning they will undergo radioactive decay.

  The term radioisotope comes from “radioactive isotope”. An isotope is an atom which has the same number of protons, but a different number of neutrons. For example, cobalt-59, with 27 protons and 32 neutrons, and cobalt-60, with 27 protons and 33 neutrons. Isotopes will chemically interact identically, but they have different physical properties.

  Radioisotopes emit different forms of radiation when they decay. These are alpha (#alpha#), beta (#beta#), and gamma (#gamma#).

  A stable isotope is a nuclei which does not experience radioactive decay. Natural radioisotopes are radioisotopes which are found in nature, the most well-known being uranium. Artificial radioisotopes are radioisotopes which are artificially manufactured.

  Although dangerous if handled without caution, radioisotopes have many applications. The most useful application is in medicine, where they are used to diagnose and treat various disorders, such as tumors.

• It is the time taken for the intensity of the radioactive emission to decay to half of its original intensity.

  This is by definition.
  Most radioactive decay follows the natural logarithmic law, ie

  #I(t)=I_0e^(-lamdat#

  Lamda is a constant which differs for different radioactive materials and that is why each on has a different half life.
  So the half life is the time taken for I to reach exactly half of #I_0#, ie

  #t=t_(1/2)iffI=1/2I_0#

• • radioactive carbon dating or carbon-14-dating is used to find the age of speciments that are no more than 50,000 years ago.

  • the age of the speciments can be calculated by comparing the present level of carbon 14 per kilogram with that of the living organism.

Калькулятор периода полураспада — это инструмент, помогающий понять принципы радиоактивного распада. Вы можете использовать его не только для того, чтобы узнать, как рассчитать период полураспада, но также для начального и конечного количества вещества или его константы распада.

Статья ниже также представит вам определение периода полураспада и наиболее распространенную формулу периода полураспада.

Определение периода полураспада

Каждый радиоактивный материал содержит стабильные и нестабильные ядра. Стабильные не изменяются, а нестабильные подвергаются радиоактивному распаду, испуская альфа-частицы, бета-частицы или гамма-лучи. Период полураспада определяется как время, необходимое для того, чтобы половина нестабильных ядер претерпела этот распад.

Каждое вещество имеет различный период полураспада. Например, углерод-10 имеет период полураспада всего 19 секунд, что делает невозможным то, чтобы этот изотоп встречался в природе. Уран-233, с другой стороны, имеет период полураспада до 160 000 лет.

Этот термин также можно использовать в более общем смысле для описания любого вида экспоненциального распада, например, биологического периода полураспада метаболитов.

Формула полураспада

Количество нестабильных ядер, остающихся после времени t, может быть определено согласно этому уравнению:

N (t) = N (0) * 0,5 ^ (т / т)

где:

N (t) — оставшееся количество вещества по истечении времени t;
N (0) — оставшееся количество этого вещества;
Т — это период полураспада.
Также можно определить оставшееся количество вещества, используя другие параметры:

N (t) = N (0) * e ^ (- t / τ)

N (t) = N (0) * e ^ (- λt)

τ — среднее время жизни — среднее количество времени, в течение которого ядро остается неповрежденным;
λ — постоянная распада (скорость распада).
Три параметра, характеризующие радиоактивность вещества, связаны следующим образом:

T = ln (2) / λ = ln (2) * τ

Как рассчитать период полураспада

Определите начальное количество вещества. Например, N (0) = 2,5 кг.

Определите конечное количество вещества — например, N (t) = 2,1 кг.

Решите, сколько времени понадобилось для того, чтобы большая часть материала распалась. Допустим, это заняло 5 минут.

Введите эти значения в наш калькулятор периода полураспада. Вы получите результат — в этом случае период полураспада равен 19,88 минутам.

Вы также можете проверить результат, используя формулу полураспада.

У этого термина существуют и другие значения, см. C14.

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 нуклид химического элемента углерода с атомным номером 6 и массовым числом 14.

Открытие[править | править код]

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 ± 0,3 тыс. лет приведено в базе данных Nubase-2020^[2] и основано на пяти экспериментах по измерению удельной активности, проведённых в 1960-х годах^[6].

Образование[править | править код]

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:

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].

Распад[править | править код]

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

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].

Биологическая роль[править | править код]

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.

Использование[править | править код]

Радиоизотопное датирование[править | править код]

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 трассер различных природных процессов^[21].

В медицине[править | править код]

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[править | править код]

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].

См. также[править | править код]

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

Примечания[править | править код]

Для событий, которые произошли в прошлом столетии или около того, историки в принципе с легкостью собирают воедино хронологию происходившего, используя фотографии и письменные отчеты, если это конечно это не касается политических интриг и прочих аналогичных тем. Однако, если мы посмотрим глубже в прошлое , нам будет сложнее получить четкое представление о людях и событиях происходивших в те времена. Как определяется возраст находок археологами о которых мы узнаём в новостях?

Одной из научных методик , к которой часто обращаются ученые, является датировка углерода-14. Этот метод оказался достаточно точным для определения возраста древних артефактов, имеющих биологическое происхождение, таких как кости или древесные или растительные волокна, приблизительно до 60000 лет.
Углерод-14 ( атом углерода с шестью протонами и восемью нейтронами) является изотопом нормального углерода, который также известен как углерод-12 ( атом углерода с шестью протонами и шестью нейтронами). Изотоп представляет собой атом из элемента , который имеет различное число нейтронов , чем общая, стабильная форма элемента .

Углерод-14 радиоактивен и естественным образом образуется в атмосфере, когда космические лучи сталкиваются с атомами азота. Когда атомы углерода-14 впоследствии соединяются с кислородом, они образуют углекислый газ, который поглощается растениями, и соответственно люди и животные потребляют всё это.
Атомы углерода-14 распадаются с постоянной скоростью, потому что они радиоактивны . Скорость радиоактивного распада вещества определяется периодом его полураспада время распада половины атомов в радиоактивном изотопе . Ученые измерили период полураспада атомов углерода-14 это примерно 5700 лет. В то же время окружающая среда постоянно производит новый углерод-14, так что процентное содержание углерода-14 во всех живых растениях и животных остается довольно постоянным.

Когда животные умирают, они перестают принимать новый углерод. Однако, содержащийся в нем углерод-14 продолжает разлагаться , а количество нормального углерода-12 остается неизменным. Затем ученые могут сравнить соотношение нормального углерода (углерода-12) и радиоактивного углерода-14, чтобы определить приблизительный возраст существа, проверив и проанализировав его древние окаменелые кости.
Поскольку период полураспада углерода-14 составляет около 5700 лет, углерод-14 может надежно использоваться только для датирования объектов возрастом до 60000 лет. Но мы слышали заявления и про датированность и в миллионы лет, как определяется такая датированность?

Углерод-14 — не единственный радиоактивный изотоп, который ученые могут измерить и использовать на сегодняшний день . Другие радиоактивные изотопы, такие как калий-40, уран-235, уран-238, торий-232 и рубидий-87, имеют периоды полураспада, которые простираются от миллионов до миллиардов лет.