Углерод-14

Углерод-14 Таблица нуклидов
Общие сведения
Название, символ	Углерод-14, 14C
Альтернативные названия	радиоуглеро́д, радиокарбо́н
Нейтронов	8
Протонов	6
Свойства нуклида
Атомная масса	14,003241989(4) а. е. м.
Избыток массы	3 019,893(4) кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон)	7 520,319(0) кэВ
Период полураспада	5,70(3)×103 лет
Продукты распада	14N
Спин и чётность ядра	0+
Канал распада	Энергия распада
β−	0,156476(4) МэВ

Углерод-14 (лат. C-14, исторические названия радиоуглеро́д, радиокарбо́н) — радиоактивный нуклид химического элемента углерода с атомным номером 6 и массовым числом 14.

Углерод-14 является одним из природных радиоактивных изотопов. 27 февраля 1940 года его впервые обнаружили во время своих экспериментов американские физики Мартин Дэвид Кеймен и Самуэл Рубен. Период его полураспада, составляющий 5730±30 лет, был установлен позже (Мартин Кеймен в своих первых экспериментах получил 2700 и 4000 лет, Либби в 1951 году принял срок полураспада в 5568±30 лет). Это позволило использовать данный изотоп для установления возраста радиоактивным путем в геологии при датировании биоматериалов возраста до 50 000 лет. Наиболее часто используется в ледниковой и постледниковой геологии, в археологии, 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.

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 1:10¹²). 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.

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

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.

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 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.

Углерод-14 претерпевает β⁻-распад, в результате распада образуется стабильный нуклид ¹⁴N (выделяемая энергия 156,476(4) кэВ): $$\mathrm{~^{14}_{6}C}\rightarrow\mathrm{~^{14}_{7}N}+ e^- + \bar{\nu}_e.$$

См. также

• Радиоуглеродный анализ