На что распадается углерод 14
Углерод-14
Углерод-14 образуется в атмосфере из азота-14 под воздействием космических лучей. Относительное содержание углерода-14 по отношению к «обычному» (углероду-12) в атмосфере остается примерно постоянным (приблизительно 1:10 12 ). Как и обычный углерод, 14 C 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.
Образование и распад
Углерод-14 образуется в верхних слоях тропосферы и стратосферы в результате поглощения атомами азота-14 тепловых нейтронов, которые в свою очередь являются результатом взаимодействия космических лучей и вещества атмосферы:
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.
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 224 Ra (ряд тория), 223 Ra (ряд урана-актиния), 226 Ra (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 221 Fr, [5]
См. также
Примечания
Нестабильные (менее суток): 8 C: Углерод-8, 9 C: Углерод-9, 10 C: Углерод-10, 11 C: Углерод-11
10—10 000 лет: 14 C: Углерод-14
Нестабильные (менее суток): 15 C: Углерод-15, 16 C: Углерод-16, 17 C: Углерод-17, 18 C: Углерод-18, 19 C: Углерод-19, 20 C: Углерод-20, 21 C: Углерод-21, 22 C: Углерод-22
Датирование с помощью углерода 14
Понимание основ
Многие люди предполагают, что возраст некоторых горных пород, установленный с помощью радиоуглеродного датирования (углеродом-14) насчитывает «миллионы лет». Однако на самом деле это не так. Причина проста. С помощью углерода-14 до его распада можно измерить возраст лишь в «тысячи лет».
Самым известным из всех существующих методов радиометрического датирования является радиоуглеродное датирование. Хотя многие люди считают, что с помощью радиоуглеродного датирования можно установить возраст горные породы, этот способ применим лишь к предметам, содержащим углеродный материал и которые когда-то были живы (например, окаменевшие остатки).
Часть 1. Понимание основ
Часть 3. Загадка для креацианистов: окаменелости в возрасте 50 тысяч лет?
Как образуется радиоуглерод
В отличие от радиоуглерода ( 14 C), другие радиоактивные элементы, которые применяются для датирования горных пород, – например, уран ( 238 U), калий ( 40 K), и рубидий ( 87 Rb), насколько нам известно, не формируются в земных условиях. Можно предположить, что Бог создал эти элементы, творя Землю в ее первозданном виде.
Радиоуглерод же, напротив, продолжает формироваться и сегодня в верхних слоях атмосферы. Насколько нам известно, он продолжает формироваться в верхних слоях земной атмосферы с момента ее сотворения на второй день недели сотворения (в виде части пространства, или тверди, описанной в книге Бытия 1:6–8).
Так как же образовывается радиоуглерод? Космические лучи постоянно «бомбардируют» верхние слои земной атмосферы, создавая быстро движущиеся нейтроны (субатомные частицы, не несущие электрического заряда) (Рисунок 1a). 1 Эти быстро движущиеся нейтроны сталкиваются с атомами азота-14, наиболее распространенного элемента в верхних слоях атмосферы, и превращают их в радиоуглеродные атомы (углерод-14).
Разрушение УГЛЕРОДА-14 (Рисунок 1c): Когда животное умирает, углерод-14 продолжает распадаться на азот-14 и испаряться, в то время как новый углерод-14 в мертвый организм больше не поступает. Путем сравнения оставшегося количества углерода-14 с его изначальным содержанием ученые могут рассчитать, как давно это животное погибло.
Поскольку атмосфера приблизительно на 78% состоит из азота, 2 вырабатывается достаточно большое количество атомов радиоуглерода – в среднем, около 7,5 кг в год. Эти атомы быстро смешиваются с атомами кислорода (второго по количеству элемента в атмосфере – около 21%) и образуют углекислый газ (CO2).
Этот углекислый газ, ставший теперь радиоактивным благодаря углероду-14, практически неотличим от обычного углекислого газа, находящегося в атмосфере (однако обычный углекислый газ более легкий по весу, поскольку содержит углерод-12). Радиоактивный и нерадиоактивный углекислый газ смешиваются в атмосфере и растворяются в океанах.
В процессе фотосинтеза углекислый газ поступает в растения и водоросли, и, таким образом, радиоуглерод попадает в цепь питания. Затем радиоуглерод попадает в тела животных, когда они поедают растения (Рисунок 1б). Даже мы, люди, радиоактивны, поскольку незначительное количество радиоуглерода попадает и в наши тела.
Определение скорости распада радиоуглерода
Поскольку углерод-14 распадается так быстро, его можно использовать для датирования живых существ, умерших на протяжении последних нескольких тысяч, а не нескольких миллионов лет.
Не все атомы радиоуглерода распадаются одновременно. Различные атомы углерода-14 распадаются на азот-14 за различное время, и это объясняет, почему распад радиоуглерода считается произвольным процессом.
Чтобы измерить период распада, специальный детектор определяет количество бета-частиц, выброшенных определенным количеством углерода за определенный промежуток времени, например, за месяц (для иллюстрации). Поскольку выброс каждой бета-частица означает распад одного атома углерода-14, мы можем узнать, сколько атомов углерода-14 распалось за один месяц.
Ученые-химики уже определили, сколько атомов содержится в определенной массе каждого элемента, например, углерода. 4 Поэтому, взвесив определенный объем углерода, мы сможем рассчитать, сколько в нем атомов углерода.
Зная, что какое-то количество атомов углерода радиоактивны, мы также сможем рассчитать, сколько атомов радиоуглерода содержится в этом образце. А зная количество атомов, распавшихся в нашем образце на протяжении месяца, мы можем рассчитать скорость распада радиоуглерода.
Стандартный способ выражения скорости распада называется периодом полураспада. 5 Он определяется, как период времени, за который распадается половина определенного количества радиоактивного элемента. Итак, если на начальном этапе у нас было 2 миллиона атомов углерода-14 в определенном нами количестве углерода, то периодом полураспада радиоуглерода будет период времени, необходимый для распада половины, то есть 1 миллиона атомов. Период полураспада радиоуглерода или скорость распада, как было определено учеными, составляет 5730 лет.
Использование радиоуглерода для датирования
Далее возникает вопрос: как ученые используют эти знания для датирования различных образцов? Если углерод-14 формировался с неизменной интенсивностью на протяжении довольно длительного периода и постоянно смешивался с биосферой, то уровень углерода-14 в атмосфере должен оставаться неизменным.
Если этот уровень не меняется, в живых растениях и животных должен поддерживаться постоянный уровень содержания углерода-14. Причина заключается в том, что пока организм жив, любые молекулы углерода в нем распадаются на азот.
Этот метод датирования напоминает по своему принципу песочные часы. 6 Песчинки, которые изначально заполняли верхнюю часть часов – это количество атомов углерода-14 в теле живого мамонта незадолго до его смерти. Предполагается, что это количество атомов углерода-14, которое содержится в теле слонов, живущих сегодня. Со временем эти песчинки падают в нижнюю часть часов, поэтому новое количество песчинок – это количество атомов углерода-14, оставшихся в черепе мамонта, когда он был найден.
Разница в количестве песчинок олицетворяет количество атомов углерода-14, распавшихся на азот-14 со времени смерти мамонта. Поскольку мы измерили скорость, с которой песчинки падают вниз (период полураспада радиоуглерода), мы можем рассчитать, сколько времени потребовалось для распада атомам углерода-14, а значит, мы сможем узнать, какое время прошло со времени смерти мамонта.
Доктор Эндрю Снеллинг имеет степень кандидата геологических наук, которую он получил в Сиднейском университете. Он работал консультантом по геологическим исследованиям во многих организациях, как в Австралии, так и в Америке. Доктор Снеллинг является автором многих научных статей, а также директором по исследованиям в организации «Ответы в книге Бытия», США.
Ссылки и примечания
Как работает углеродное датирование?
Углерод необходим для биологической жизни. На нем основана вся жизнь на Земле. Если бы не любезность углерода, простая органическая материя не смогла бы развиться, чтобы достичь необычайной, непостижимой сложности, которой она теперь может похвастаться.
Однако крошечный процент этого углерода радиоактивен! Измерение количества этого радиоактивного углерода в органическом веществе позволяет нам определить его возраст; такой метод называется радиоактивным углеродным датированием или, проще говоря, углеродным датированием. Вот как это работает.
Углерод-14
У Углерода есть брат-близнец, о котором знают лишь немногие. Нашу планету постоянно осыпают высокоэнергетические космические лучи, посылаемые солнцем. Эти лучи, изобилующие нейтронами, вступают в реакцию с азотом в нашей атмосфере с образованием атомов углерода-14 или C-14, изотопа углерода-12 или C-12.
Главное в С-14 то, что он радиоактивен, нестабилен, что заставляет его испускать частицы и, следовательно, со временем распадаться.
Принцип углеродного датирования
Радиоактивный углерод будет реагировать с кислородом в атмосфере с образованием радиоактивного диоксида углерода. Этот радиоактивный углекислый газ вдыхается и накапливается растениями, которые потребляются травоядными животными, на которые охотятся плотоядные или всеядные животные, такие как люди. Следовательно, содержание углерода в каждом организме в атмосфере состоит в основном из атомов C-12 и небольшого количества атомов C-14.
Организмы, хотя и потребляют углерод, также выбрасывают его при выдохе. Транзакция или цикл производства, потребления и вытеснения атомов С-14 происходит таким образом, что, хотя количество атомов С-12 и С-14 в окружающей среде и в организме может варьироваться, их соотношение останется неизменным. Это принцип работы углеродного датирования: несмотря на транзакции, живой организм сохраняет то же соотношение атомов С-14 к С-12, что и в окружающей среде.
Однако когда организм умирает, он перестает потреблять углерод. Теперь, поскольку C-14 радиоактивен, он начинает распадаться. Соотношение атомов C-14 к C-12 в организме теперь уменьшается. Чем старше организм, тем больше разлагается C-14, поэтому соотношение меньше. Это соотношение используется археологами для датировки, скажем, дерева или окаменелости.
Они используют следующее уравнение для измерения возраста выборки:
Уравнение диктует распад радиоактивного изотопа. Здесь Nᵒ представляет количество атомов изотопа в образце при t = 0 или когда организм, часть которого теперь составляет образец, умер, в то время как N представляет количество атомов, оставшихся после того, как время t прошло.
Помните, что соотношение атомов C-14 к C-12 в организме и окружающей среде одинаково, когда он жив. Знание этого соотношения, которым мы уже располагаем, позволяет нам получить значение Nᵒ, исходное количество атомов C-14. Однако текущее значение N необходимо измерить. Атомы C-14 в образце подсчитываются с помощью тонких инструментов, таких как бета-счетчики и ускорительный масс-спектрометр.
Насколько надежно углеродное датирование?
Радиоактивность элемента измеряется периодом его полураспада: временем, которое требуется для распада половины его составляющих. Период полураспада C-14 составляет 5370 лет, что означает, что он становится вдвое меньше того, что было изначально за 5370 лет, одну четвертую за 10740 лет, одну восьмую за 16 110 лет и так далее.
Расширьте эту тенденцию, и вы обнаружите, что точное измерение показывает, что все атомы распадаются или, по крайней мере, процент, ниже которого они становятся необнаруживаемыми, примерно через 50 000 лет. Следовательно, датировка образца старше 50 000 лет может привести к ошибочным результатам.
Были разработаны комбинированные методы, сочетающие углеродное датирование с методами калибровки и расширения его возможностей, но даже эти методы по своей сути подвержены ошибкам. Следовательно, датирование по углероду является, несомненно, точным только в течение нескольких тысяч лет; любые результаты за пределами этих рамок сомнительны. Это главное ограничение углеродного датирования.
Более того, углеродное датирование, похоже, основано на ошибке. Он в основном основан на предположении, что соотношение атомов C-14 к C-12 в окружающей среде всегда было одинаковым на протяжении каждой эпохи.
Это, конечно, неправда. В частности, после промышленной революции мы уменьшили количество атомов C-12 в окружающей среде, бесстыдно сбрасывая в нее вызывающее тревогу количество углекислого газа, образующегося при сжигании ископаемого топлива. Увеличение C-12 означает, что соотношение теперь уменьшено, а это означает, что возраст образца будет старше, чем он есть на самом деле!
И наоборот, ядерные взрывы производят огромное количество C-14, поэтому множество ядерных испытаний, которые мы провели, увеличили его количество в атмосфере. Это увеличивает соотношение, в результате чего возраст выборки оказывается моложе, чем он есть на самом деле.
В частности, со времен промышленной революции мы уменьшили количество атомов C-12 в окружающей среде, бесстыдно сбрасывая в нее угрожающее количество углекислого газа.
Тем не менее, зная величину отклонения, которое вызовет увеличение или уменьшение атомов С-14, мы можем объяснить эти расхождения, просто вычитая или добавляя ошибку от или к кажущемуся возрасту, чтобы получить реальный возраст. Опять же, датирование по углероду может быть не бесспорно точным, но оно достаточно хорошо.
| Общий | |
|---|---|
| Условное обозначение | 14 С |
| Имена | углерод-14, C-14, радиоуглерод |
| Протоны | 6 |
| Нейтронов | 8 |
| Данные о нуклидах | |
| Природное изобилие | 1 часть на триллион |
| Период полураспада | 5730 ± 40 лет |
| Изотопная масса | 14.0032420 ед. |
| Вращаться | 0+ |
| Режимы распада | |
| Режим распада | Энергия распада ( МэВ ) |
| Бета | 0,156476 |
| Изотопы углерода Полная таблица нуклидов | |
Различные изотопы углерода не сильно различаются по своим химическим свойствам. Это сходство используется в химических и биологических исследованиях в технике, называемой углеродной маркировкой : атомы углерода-14 могут использоваться для замены нерадиоактивного углерода, чтобы отслеживать химические и биохимические реакции с участием атомов углерода любого данного органического соединения.
СОДЕРЖАНИЕ
Радиоактивный распад и обнаружение
Углерод-14 подвергается радиоактивному бета-распаду :
Как обычно при бета-распаде, почти вся энергия распада уносится бета-частицей и нейтрино. Испускаемые бета-частицы имеют максимальную энергию около 156 кэВ, а их средневзвешенная энергия составляет 49 кэВ. Это относительно низкие энергии; максимальное пройденное расстояние оценивается в 22 см в воздухе и 0,27 мм в тканях тела. Доля излучения, прошедшего через мертвый слой кожи, оценивается в 0,11. Небольшие количества углерода-14 нелегко обнаружить типичными детекторами Гейгера-Мюллера (GM) ; по оценкам, детекторы GM обычно не обнаруживают загрязнения менее 100 000 дезинтеграций в минуту (0,05 мкКи). Жидкостный сцинтилляционный счет является предпочтительным методом. Эффективность счета GM оценивается в 3%. Слой половинного расстояния в воде составляет 0,05 мм.
Радиоуглеродное датирование
Источник
Естественное производство в атмосфере
Самый высокий уровень производства углерода-14 происходит на высотах от 9 до 15 км (от 30 000 до 49 000 футов) и в высоких геомагнитных широтах.
Углерод-14 может также производиться молнией, но в незначительных количествах во всем мире по сравнению с производством космических лучей. Локальные эффекты разряда облаков в землю через остатки проб неясны, но, возможно, значительны.
Другие источники углерода-14
Углерод-14 может быть также радиогенный ( кластерный распад из 223 Ra, 224 Ra, 226 Ra). Однако такое происхождение встречается крайне редко.
Формирование во время ядерных испытаний
Наземные ядерные испытания, которые произошли в нескольких странах в период с 1955 по 1980 год (см. Список ядерных испытаний), резко увеличили количество углерода-14 в атмосфере, а затем и в биосфере; после завершения испытаний концентрация изотопа в атмосфере начала уменьшаться, поскольку радиоактивный CO 2 фиксировался в тканях растений и животных и растворялся в океанах.
Одним из побочных эффектов изменения содержания углерода-14 в атмосфере является то, что это позволило использовать некоторые опции (например, датирование по методу бомбового импульса ) для определения года рождения человека, в частности, количества углерода-14 в зубной эмали или концентрация углерода-14 в хрусталике глаза.
В 2019 году журнал Scientific American сообщил, что углерод-14 в результате испытаний ядерной бомбы был обнаружен в телах водных животных, обнаруженных в одном из самых труднодоступных регионов Земли, Марианской впадине в Тихом океане.
Выбросы от атомных электростанций
Вхождение
Рассеивание в окружающей среде
Общий инвентарь
Инвентаризации углерода-14 в биосфере Земли составляет около 300 мегакюри (11 Х Бк ), из которых наиболее находится в океане. Был дан следующий перечень углерода-14:
В ископаемом топливе
В человеческом теле
Углерод-14
| Общий | |
|---|---|
| Символ | 14 С |
| Имена | углерод-14, C-14, радиоуглерод |
| Протоны | 6 |
| Нейтронов | 8 |
| Данные о нуклидах | |
| Природное изобилие | 1 часть на триллион |
| Период полураспада | 5730 ± 40 лет |
| Изотопная масса | 14.003241 ед. |
| Вращение | 0+ |
| Режимы распада | |
| Режим распада | Энергия распада ( МэВ ) |
| Бета | 0,156476 [1] |
| Изотопы углерода Полная таблица нуклидов | |
Различные изотопы углерода существенно не различаются по своим химическим свойствам. Это сходство используется в химических и биологических исследованиях в технике, называемой углеродной маркировкой : атомы углерода-14 могут использоваться для замены нерадиоактивного углерода, чтобы отслеживать химические и биохимические реакции с участием атомов углерода любого данного органического соединения.
Углерод-14 подвергается радиоактивному бета-распаду :
Испускаемые бета-частицы имеют максимальную энергию 156 кэВ, а их средневзвешенная энергия составляет 49 кэВ. [6] Это относительно низкие энергии; максимальное пройденное расстояние оценивается в 22 см в воздухе и 0,27 мм в тканях тела. Доля излучения, прошедшего через мертвый слой кожи, оценивается в 0,11. Небольшие количества углерода-14 нелегко обнаружить типичными детекторами Гейгера-Мюллера (GM) ; по оценкам, детекторы GM обычно не обнаруживают загрязнения менее 100 000 дезинтеграций в минуту (0,05 мкКи). Жидкостный сцинтилляционный счет является предпочтительным методом. [7] Эффективность подсчета GM оценивается в 3%. Слой половинного расстояния в воде составляет 0,05 мм. [8]
Естественное производство в атмосфере
Самый высокий уровень производства углерода-14 происходит на высотах от 9 до 15 км (от 30 000 до 49 000 футов) и в высоких геомагнитных широтах.
Углерод-14 может также производиться молнией [22] [23], но в незначительных количествах в глобальном масштабе по сравнению с производством космических лучей. Локальные эффекты разряда облаков в землю через остатки проб неясны, но, возможно, значительны.
Другие источники углерода-14
Углерод-14 может быть также радиогенный ( кластерный распад из 223 Ra, 224 Ra, 226 Ra). Однако такое происхождение встречается крайне редко.
Формирование во время ядерных испытаний
Наземные ядерные испытания, которые произошли в нескольких странах в период с 1955 по 1980 год (см. Список ядерных испытаний), резко увеличили количество углерода-14 в атмосфере, а затем и в биосфере; после завершения испытаний концентрация изотопа в атмосфере начала уменьшаться, поскольку радиоактивный CO 2 фиксировался в тканях растений и животных и растворялся в океанах.
В 2019 году журнал Scientific American сообщил, что углерод-14 в результате испытаний ядерной бомбы был обнаружен в телах водных животных, обнаруженных в одном из самых труднодоступных регионов Земли, Марианской впадине в Тихом океане. [33]
Выбросы от атомных электростанций
Рассеивание в окружающей среде
Общий инвентарь
Инвентаризации углерода-14 в биосфере Земли составляет около 300 мегакюри (11 Х Бк ), из которых наиболее находится в океане. [39] Был дан следующий перечень углерода-14: [40]