Karbon-14 - Carbon-14

Karbon-14 ( ¹⁴ ° C), ya da radyo-karbon , a, bir radyoaktif izotop ve karbon bir ile atom çekirdeğinin 6 ihtiva eden proton ve 8 nötron . Organik materyallerdeki varlığı, arkeolojik, jeolojik ve hidrojeolojik örnekleri bugüne kadar Willard Libby ve meslektaşlarının (1949) öncülük ettiği radyokarbon tarihleme yönteminin temelidir . Karbon-14 tarafından 27 Şubat 1940 üzerinde keşfedildi Martin Kamen ve Sam Ruben de Kaliforniya Radyasyon Laboratuvarı Üniversitesi de Berkeley, California . Varlığı 1934'te Franz Kurie tarafından önerildi .

Yeryüzünde doğal olarak oluşan üç karbon izotopu vardır : Dünyadaki tüm karbonun %99'unu oluşturan karbon-12 ; %1'i oluşturan karbon-13 ; ve eser miktarlarda oluşan ve atmosferdeki 10 ¹² karbon atomu başına yaklaşık 1 veya 1.5 atom oluşturan karbon-14 . Karbon-12 ve karbon-13 her ikisi de kararlıdır, karbon-14 ise kararsızdır ve 5.730 ± 40 yıllık bir yarı ömre sahiptir. Karbon-14 , beta bozunması yoluyla azot -14'e bozunur . 10 ¹² atom başına 1 atom karbon-14 içeren bir gram karbon, saniyede ~0.2 beta parçacığı yayacaktır. Karbon-14'ün dünyadaki birincil doğal kaynağı , atmosferdeki nitrojen üzerindeki kozmik ışın etkisidir ve bu nedenle kozmojenik bir nükliddir . Ancak 1955 ve 1980 yılları arasında açık hava nükleer testleri bu havuza katkıda bulundu.

Farklı karbon izotopları, kimyasal özelliklerinde önemli ölçüde farklılık göstermez. Bu benzerlik, kimyasal ve biyolojik araştırmalarda, karbon etiketleme adı verilen bir teknikte kullanılır: herhangi bir organik bileşikten karbon atomlarını içeren kimyasal ve biyokimyasal reaksiyonları izlemek için, radyoaktif olmayan karbonun yerine karbon-14 atomları kullanılabilir.

Radyoaktif bozunma ve algılama

Karbon-14 radyoaktif beta bozunmasından geçer :

¹⁴
₆C
→ ¹⁴
₇n
+
e^-
+
ν
_e + 156,5 keV

Bir elektron ve bir elektron antinötrino yayarak , karbon-14 atomundaki nötronlardan biri bir protona bozunur ve karbon-14 ( 5,700 ± 40 yıllık yarı ömür ) kararlı (radyoaktif olmayan) izotop nitrojene bozunur. 14 .

Beta bozunmasında olduğu gibi, hemen hemen tüm bozunma enerjisi beta parçacığı ve nötrino tarafından taşınır. Yayılan beta parçacıklarının maksimum enerjisi yaklaşık 156 keV iken, ağırlıklı ortalama enerjileri 49 keV'dir. Bunlar nispeten düşük enerjilerdir; katedilen maksimum mesafenin havada 22 cm ve vücut dokusunda 0.27 mm olduğu tahmin edilmektedir. Ölü deri tabakasından iletilen radyasyon fraksiyonunun 0.11 olduğu tahmin edilmektedir. Küçük miktarlarda karbon-14, tipik Geiger–Müller (GM) dedektörleri tarafından kolayca tespit edilemez ; GM dedektörlerinin normalde dakikada yaklaşık 100.000 parçalanmadan (0.05 uCi) daha az olan kontaminasyonu tespit etmeyeceği tahmin edilmektedir. Sıvı sintilasyon sayımı tercih edilen yöntemdir. GM sayma veriminin %3 olduğu tahmin edilmektedir. Sudaki yarı mesafe katmanı 0,05 mm'dir.

radyokarbon tarihleme

Radyokarbon tarihleme, yaklaşık 60.000 yaşına kadar olan karbonlu malzemelerin yaşını belirlemek için ( ¹⁴ C) kullanan bir radyometrik tarihleme yöntemidir . Teknik, Willard Libby ve meslektaşları tarafından 1949'da Chicago Üniversitesi'nde profesör olarak görev yaptığı sırada geliştirildi . Libby, değişebilir karbon-14'ün radyoaktivitesinin, saf karbon gramı başına dakikada yaklaşık 14 parçalanma (dpm) olacağını tahmin etti ve bu hala modern radyokarbon standardının aktivitesi olarak kullanılıyor . 1960 yılında, Libby bu çalışması için kimyada Nobel Ödülü'ne layık görüldü .

Tekniğin sık kullanımlarından biri, arkeolojik alanlardan organik kalıntıların tarihlendirilmesidir. Bitkiler düzeltmek seviyesine, yani fotosentez esnasında atmosferik karbon ¹⁴ de yaklaşık olarak eşit düzeyde öldüklerinde bitkilerde ve hayvanlarda C ¹⁴ o anda atmosferde C. Bununla birlikte, daha sonra radyoaktif bozunmadan azalır ve ölüm veya fiksasyon tarihinin tahmin edilmesini sağlar. Hesaplama için ilk ¹⁴ C seviyesi ya tahmin edilebilir ya da 10.000 yıl öncesine kadar ağaç halkası verilerinden ( dendrokronoloji ) elde edilen bilinen yıllık verilerle doğrudan karşılaştırılabilir (belirli bir zaman dilimindeki canlı ve ölü ağaçlardan alınan örtüşen veriler kullanılarak). alan) ya da mağara tortularından ( spelothems ), günümüzden yaklaşık 45.000 yıl öncesine kadar. Bir numunedeki karbon-14 seviyelerinin, bilinen bir yaştaki ağaç halkası veya mağara birikintisi karbon-14 seviyeleri ile doğrudan bir hesaplaması veya (daha doğru bir şekilde) karşılaştırılması, daha sonra ahşap veya hayvan numunesine oluşumdan bu yana yaşı verir. Radyokarbon ayrıca doğal ekosistemlerdeki bozulmayı tespit etmek için de kullanılır; örneğin turbalık arazilerinde radyokarbon, daha önce organik topraklarda depolanan karbonun arazi temizliği veya iklim değişikliği nedeniyle salındığını gösterebilir.

Menşei

Atmosferde doğal üretim

1: Karbon-14'ün oluşumu
2: Karbon-14'ün bozunması
3: "Eşit" denklem canlı organizmalar içindir ve eşit olmayan denklem, C-14'ün daha sonra bozunduğu ölü organizmalar içindir (Bkz. 2).

Karbon-14, troposferin üst katmanlarında ve stratosferde azot atomları tarafından emilen termal nötronlar tarafından üretilir . Ne zaman kozmik ışınlar atmosfere girmek, onlar üretimi dahil olmak üzere çeşitli dönüşümler, maruz nötronlar . Ortaya çıkan nötronlar ( ¹ n) aşağıdaki np reaksiyonuna katılır :

+ ¹⁴
₇n
→ ¹⁴
₆C
+ p

En yüksek karbon-14 üretimi oranı 9 ila 15 km (30.000 ila 49.000 ft) rakımlarda ve yüksek jeomanyetik enlemlerde gerçekleşir.

¹⁴ C üretim hızı , Dünya yüzeyinin metrekaresi başına saniyede 16.400 veya 18.800 atom ¹⁴ C'lik değerler verecek şekilde modellenebilir; bu, geri gitmek için kullanılabilecek küresel karbon bütçesiyle aynı fikirdedir , ancak üretimi ölçmeye çalışır. doğrudan yerinde zaman çok başarılı değildi. Üretim oranları, heliosferik modülasyonun (güneş rüzgarı ve güneş manyetik alanı) neden olduğu kozmik ışın akısındaki değişikliklerden ve Dünya'nın manyetik alanındaki varyasyonlardan dolayı büyük önem taşır . Ancak karbon döngüsündeki değişiklikler, bu tür etkilerin izole edilmesini ve ölçülmesini zorlaştırabilir. Ara sıra ani yükselmeler meydana gelebilir; örneğin, son on bin yılın en güçlüsü olan aşırı güneş enerjili parçacık olayının neden olduğu , AD 774–775'te alışılmadık derecede yüksek bir üretim hızına dair kanıtlar vardır . Başka bir "olağanüstü büyük" ¹⁴ ° C artış (% 2), bir güneş enerji yüklü parçacık olay olması muhtemel olan bir 5480 BC etkinlik ile ilişkilendirilmiştir.

Karbon-14, yıldırımla da üretilebilir, ancak kozmik ışın üretimine kıyasla küresel olarak ihmal edilebilir miktarlarda. Numune kalıntıları yoluyla bulut-yer deşarjının yerel etkileri belirsizdir, ancak muhtemelen önemlidir.

Diğer karbon-14 kaynakları

Karbon-14 aynı zamanda, özellikle de dahil olmak üzere, diğer nötron reaksiyonlarla üretilebilmektedir ¹³ ° C (n, γ) ¹⁴ ° C ve ¹⁷ O (n, α) ¹⁴ C termal nötronlar ve ¹⁵ N (n, d) ¹⁴ ° C ve ¹⁶ O (n, ³ He) ¹⁴ C ile hızlı nötronlar . İçin en dikkat çekici yolları ¹⁴ (bir nükleer reaktör içinde, örneğin,) hedeflerin termal nötron ışınlaması ile Cı üretimi tabloda özetlenmiştir.

Karbon-14 aynı zamanda olabilir radyojenık ( küme çürüme ve ²²³ Ra, ²²⁴ Ra, ²²⁶ Ra). Ancak, bu köken son derece nadirdir.

Nükleer testler sırasında oluşumu

Atmosferik ¹⁴ C, Yeni Zelanda ve Avusturya . Yeni Zelanda eğrisi Güney Yarımküre'yi, Avusturya eğrisi Kuzey Yarımküre'yi temsil etmektedir. Atmosferik nükleer silah testleri , Kuzey Yarımküre'deki ¹⁴ C konsantrasyonunu neredeyse iki katına çıkardı . Açıklamalı PTBT etiketi, Kısmi Nükleer Test Yasağı Anlaşmasını temsil eder .

1955 ve 1980 yılları arasında çeşitli ülkelerde gerçekleştirilen yer üstü nükleer testler (nükleer test listesine bakınız) atmosferdeki ve ardından biyosferdeki karbon-14 miktarını önemli ölçüde artırdı; Testler bittikten sonra radyoaktif CO olarak, izotopun atmosfer konsantrasyonu, azalmaya başladı ₂ , bitki ve hayvan dokusu içine sabit ve okyanuslar içinde çözülmüştür.

Atmosferik karbon-14 değişim bir yan etkisi, bu bazı seçenekler etkin olmasıdır (örneğin bomba darbe partner ) 'de, özellikle, karbon-14 miktarı bir bireyin doğum yılınızı belirlenmesi için diş minesinin veya göz merceğindeki karbon-14 konsantrasyonu.

2019'da Scientific American , dünyanın en erişilemeyen bölgelerinden biri olan Pasifik Okyanusu'ndaki Mariana Çukuru'nda bulunan suda yaşayan hayvanların vücutlarında nükleer bomba testlerinden elde edilen karbon-14'ün bulunduğunu bildirdi .

Nükleer santrallerden kaynaklanan emisyonlar

Karbon-14, kaynar su reaktörlerinde (BWR'ler) ve basınçlı su reaktörlerinde ( PWR'ler) soğutucuda üretilir . Tipik olarak , BWR'lerde karbondioksit ve PWR'lerde metan şeklinde atmosfere salınır. Nükleer santral operatörünün karbon-14 yönetimi için en iyi uygulaması, bitkilerin fotosentez yapmadığı gece saatlerinde serbest bırakılmasını içerir . Karbon-14 ayrıca nükleer yakıtların içinde de üretilir (bazıları uranyum oksitteki oksijenin dönüştürülmesinden kaynaklanır, ancak en önemlisi azot-14 safsızlıklarının dönüştürülmesinden kaynaklanır) ve kullanılmış yakıt nükleer yeniden işlemeye gönderilirse karbon-14 salınır. , örneğin PUREX sırasında CO ₂ olarak .

oluşum

Ortamdaki dağılım

Üst atmosferde Üretimden sonra, karbon-14 atomunun en çok (93 yaklaşık%) oluşturmak için hızlı bir şekilde reaksiyona ¹⁴ CO ( karbon monoksit , daha sonra oluşturmak üzere daha düşük bir hızda oksitlediği,) ¹⁴ CO ₂ , radyoaktif karbon dioksit . Gaz hızla karışır ve atmosfer boyunca eşit olarak dağılır (karıştırma zaman ölçeği haftalar halinde). Karbondioksit de suda çözünür ve bu nedenle okyanuslara nüfuz eder , ancak daha yavaş bir oranda. Uzaklaştırılması için atmosferik yarı ömrü ¹⁴ CO ₂ kuzey yarımkürede yaklaşık 12 ila 16 yıl olduğu tahmin edilmiştir. Okyanusun sığ tabakası ile okyanus derinliklerindeki büyük bikarbonat rezervuarı arasındaki aktarım sınırlı bir oranda gerçekleşir. 2009'da ¹⁴ C'nin aktivitesi, atmosferik nükleer testten önceki değerlere yakın (226 Bq/kg C; 1950) taze karasal biyomaddenin kg karbonu başına 238 Bq idi.

Toplam envanter

Dünya'nın biyosferindeki karbon-14 envanteri, çoğu okyanuslarda bulunan yaklaşık 300 megaküridir (11  E Bq ). Aşağıdaki karbon-14 envanteri verilmiştir:

• Küresel envanter: ~8500 PBq (yaklaşık 50 t )
  • Atmosfer: 140 PBq (840 kg)
  • Karasal malzemeler: denge
• Nükleer testlerden (1990'a kadar): 220 PBq (1,3 t)

Fosil yakıtlarda

Birçok insan yapımı kimyasal türetilir fosil yakıt (örneğin, petrol ya da kömür olduğu) ¹⁴ fosil yaşı kadar yarı ömrünü aştığından Cı büyük ölçüde yoksun olan ¹⁴ ° C ¹⁴ CO ₂ , görece absence- -ya da daha doğrusu bu nedenle , Dünya atmosferinin belirli bir bölgesindeki toplam karbondioksite fosil yakıt oksidasyonunun nispi katkısını (veya karışım oranını ) belirlemek için kullanılır .

Belirli bir fosilleşmiş karbonlu malzeme örneğinin tarihlendirilmesi daha karmaşıktır. Bu tür tortular genellikle eser miktarda karbon-14 içerir. Bu miktarlar, canlı organizmalarda bulunan oranın %1'ine kadar değişen, numuneler arasında önemli ölçüde değişebilir; bu, görünürdeki 40.000 yıllık bir yaşla karşılaştırılabilir bir konsantrasyondur. Bu, bakterilerin az miktarda, neden radyasyon yeraltı kaynaklarından ile muhtemel kirlenmenin gösterebilir ¹⁴ N- (n, p) ¹⁴ bildirdi ölçülen oranı ne kadar Cı reaksiyonu, doğrudan Uranyum ( ¹⁴ uranyum taşıyan cevherleri C / U yaklaşık 1 ima amacıyla, her iki karbon atomu uranyum atomu neden ¹⁴ ° C / ¹² ° C, 10 civarında olarak ölçülmüştür oranı, ^-15 C-14 üretiminin) ya da diğer bilinmeyen ikincil kaynak. Bir karbonlu malzeme örneğinin izotopik imzasında karbon-14'ün varlığı, muhtemelen bunun biyojenik kaynaklarla kontaminasyonunu veya çevredeki jeolojik katmanlardaki radyoaktif malzemenin bozunmasını gösterir. Borexino güneş nötrino gözlemevinin inşasıyla bağlantılı olarak , düşük ¹⁴ C içerikli petrol besleme stoğu (birincil sintilanın sentezlenmesi için) elde edildi . Borexino Sayma Test Tesisinde ¹⁴ C/ ¹² C oranı 1.94×10 ^-18 olarak belirlenmiş; çeşitli düzeylerde sorumlu muhtemel reaksiyonları ¹⁴ farklı olarak C petrol rezervuar ve alt ¹⁴ metan C seviyeleri, Bonvicini ve arkadaşları tarafından tartışılmıştır.

insan vücudunda

İnsan gıdasının birçok kaynağı nihayetinde karasal bitkilerden elde edildiğinden, vücudumuzdaki göreceli karbon-14 konsantrasyonu, atmosferdeki göreceli konsantrasyonla neredeyse aynıdır. Normal yetişkin vücudunda potasyum-40 ve karbon-14'ün parçalanma oranları karşılaştırılabilir (saniyede birkaç bin parçalanmış çekirdek). Dış (çevresel) radyo karbon beta-bozunur, yaklaşık olarak 0.01 katkı mSv her kişinin / yıl (1 mrem / yıl) doz arasında iyonize edici radyasyon . Bu, potasyum-40 (0.39 mSv/yıl) ve radon (değişken) dozlarına kıyasla küçüktür .

Karbon-14, tıpta radyoaktif izleyici olarak kullanılabilir . Üre nefes testinin ilk varyantında, Helicobacter pylori için bir tanı testi , yaklaşık 37 kBq (1.0  μCi ) karbon-14 ile etiketlenmiş üre  bir hastaya beslenir (yani, saniyede 37.000 bozunma). Bir H. pylori enfeksiyonu durumunda, bakteriyel üreaz enzimi, üreyi amonyak ve radyoaktif olarak etiketlenmiş karbondioksite ayırır ve bu, hastanın nefesinin düşük düzeyde sayımıyla tespit edilebilir. ¹⁴ ° C üre nefes testi büyük ölçüde ile ikame edilmiş ¹³ ° C radyasyon sorunları vardır üre nefes testi.

Ayrıca bakınız

• Karbon-azot oranı
• Elmas pil
• karbon izotopları
• izotop etiketleme
• radyokarbon tarihleme

Referanslar

daha fazla okuma

• Kamen, Martin D. (1985). Işıltılı Bilim, Karanlık Politika: Nükleer Çağın Anıları . Berkeley: Kaliforniya Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 978-0-520-04929-1.

Dış bağlantılar

• Karbon Tarihleme Nedir? , Woods Hole Oşinografi Enstitüsü