Јаглеродни изотопи

Јаглеродните изотопи се сорти на атоми (и јадра) на хемискиот елемент јаглерод кои имаат различна содржина на неутрони во јадрото. Јаглеродот има два стабилни изотопи: ¹²C и ¹³C. Содржината на овие изотопи во природниот јаглерод е 98,93% и 1,07%, соодветно. Исто така, познати се 13 радиоактивни изотопи на јаглерод (од ⁸C до ²²C), од кои еден, ¹⁴C, се наоѓа во природата (неговата содржина во атмосферскиот јаглерод е околу 10 ^-12). Изомерните состојби се непознати. Јаглеродот е лесен елемент, а неговите изотопи значително се разликуваат по маса, а со тоа и по физички својства, па затоа се раздвојуваат (фракционираат) во многу природни процеси. Најдолговечниот радоизотоп е ¹⁴C со полуживот од 5.700 години.

Табела со изотопи на јаглерод

Симбол нуклид	$Z$ (p)	$N$ (n)	Изотопска маса (а. е. м.)	Период на полураспад^[1] ( $T 1/2$ )	Канал за дезинтеграција	Производ за распаѓање	Вртење и рамномерност јадра^[1]	Природна застапеност	Опсегот на варијации на изотопското изобилство во природата
Симбол нуклид	Енергија на возбуда			Период на полураспад^[1] ( $T 1/2$ )	Канал за дезинтеграција	Производ за распаѓање	Вртење и рамномерност јадра^[1]	Природна застапеност	Опсегот на варијации на изотопското изобилство во природата
⁸C	6	2	8,037.643 ± (20)	3,5 [230]	2p	⁶Be	0+
⁹C	6	3	9,0.310.372 ± (23)	126,5	β⁺, p (61,6 %)	⁸Be	3/2−
⁹C	6	3	9,0.310.372 ± (23)	126,5	β⁺, α (38,4 %)	⁵Li	3/2−
¹⁰C	6	4	10,01.685.322	19,3.011	β⁺	¹⁰B	0+
¹¹C	6	5	11,01.143.260	20,3.402	β⁺ (99,79 %)	¹¹B	3/2−
¹¹C	6	5	11,01.143.260	20,3.402	ЭЗ (0,21 %)^[2]^[3]	¹¹B	3/2−
¹²C	6	6	12 по определению	стабилен			0+	[0,9.884, 0,9.904]^[4]
¹³C	6	7	13,00.335.483.534	стабилен			1/2−	[0,0.096, 0,0.116]^[5]
¹⁴C	6	8	14,0.032.419.890	5,70	β⁻	¹⁴N	0+	количини во трагови	<10⁻¹²
¹⁵C	6	9	15,0.105.993	2,449	β⁻	¹⁵N	1/2+
¹⁶C	6	10	16,014.701	750	β⁻, n (99,0 %)	¹⁵N	0+
¹⁶C	6	10	16,014.701	750	β⁻ (1,0 %)	¹⁶N	0+
¹⁷C	6	11	17,022.579	193	β⁻ (71,6 %)	¹⁷N	3/2+
¹⁷C	6	11	17,022.579	193	β⁻, n (28,4 %)	¹⁶N	3/2+
¹⁸C	6	12	18,02.675	92	β⁻ (68,5 %)	¹⁸N	0+
¹⁸C	6	12	18,02.675	92	β⁻, n (31,5 %)	¹⁷N	0+
¹⁹C	6	13	19,03.480	46,2	β⁻, n (47 %)	¹⁸N	1/2+
					β⁻ (46 %)	¹⁹N
					β⁻, 2n (7 %)	¹⁷N
²⁰C	6	14	20,04.026	16	β⁻, n (70 %)	¹⁹N	0+
					β⁻, 2n (<18,6 %)	¹⁸N
					β⁻ (>11,4 %)	²⁰N
²¹C	6	15	21,04.900#	<30	n	²⁰C	1/2+#
²²C	6	16	22,05.755	6,2	β⁻, n (61 %)	²¹N	0+
					β⁻, 2n (<37 %)	²⁰N
					β⁻ (>2 %)	²²N

Објаснувања на табелата

Индексите 'm', 'n', 'p' (до симболот) укажуваат на возбудени изомерни состојби на нуклидот.

Симболите со задебелени букви означуват стабилни производи за распаѓање. Симболите со задебелени курзивни букви означуваат производи на радиоактивно распаѓање кои имаат период на полураспад споредлив или поголем од староста на Земјата и затоа се присутни во природната мешавина.

Вредностите означени со хеш ознака (#) не се добиваат само од експериментални податоци, туку се (барем делумно) проценети од систематски трендови во соседните нуклиди (со исти односи $Z$ и $N$ ). Несигурно одредени вредности на спин и/или паритет се затворени во загради.

Несигурноста е дадена како број во загради, изразена во единици од последната значајна цифра и значи едно стандардно отстапување (освен природна застапеност и стандардната атомска маса на изотоп според податоците на IUPAC, за кои се користи покомплексна дефиниција за несигурност). Примери: 29770.6(5) значи 29770.6 ± 0.5; 21,48(15) значи 21,48 ± 0,15; -2200,2(18) значи -2200,2 ± 1,8.

Изотоп ¹⁴С

Покрај стабилните изотопи на јаглеродот, во природата се наоѓа и радиоактивниот изотоп ¹⁴C (радиојаглерод). Се формира со зрачење ¹⁴N со неутрони според следнава реакција:

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

Покрај реакцијата на азот, ¹⁴C може да се формира со неутронско зрачење на изотопот на кислород ¹⁷O според реакцијата ¹⁷₈O + n → ¹⁴₆C + α, меѓутоа, содржината на ¹⁷O во атмосферата е исклучително мала и овој пат на формирање ^{на 14}C се зема предвид само во нуклеарните технологии.

Во природата, ¹⁴C се формира во земјината атмосфера од атмосферскиот азот -14 под влијание на космичкото зрачење. Јаглерод-14 исто така се формира со бавна брзина во земјината кора.

Содржина на рамнотежа ¹⁴C во земјината атмосфера и биосфера во однос на стабилен јаглерод е ~10⁻¹². С Од почетокот на активната употреба на фосилните горива (јаглен, нафта, гас), јаглерод диоксид кој не содржи радиојаглерод (кој се распаѓал во текот на милиони години) постојано се ослободува во атмосферата, што доведува до постепено намалување на односот ¹⁴C/¹²Cво атмосферата; Сепак, ова разредување на атмосферскиот јаглерод со нерадиоактивен фосилен јаглерод (т.н. Suess ефект) доведе до намалување на специфичната активност од почетокот на индустријализацијата (18 век).¹⁴C само во атмосферата 1,5…2,5 %^[6], а во океаните специфичната активност ¹⁴C намалена само за 0,2 %. Многу позначајна и драматична промена, која започна во 1945 година, е поврзана со нуклеарни и особено термонуклеарни експлозии во атмосферата, создавајќи голем флукс на неутрони и претворајќи го атмосферскиот азот-14 во јаглерод-14 со горенаведената реакција. Овој ефект го достигна својот врв во средината на 1960-тите; Општа содржина ¹⁴C во тропосферата на северната хемисфера е речиси двојно зголемена. По забраната за нуклеарно тестирање во атмосферата, тропосферската содржина¹⁴C почна да се намалува брзо (двојно намалување на секои 12—16 години) како резултат на рамнотежата на тропосферскиот резервоар со океанот, кој има многу поголем капацитет од атмосферата и беше речиси недопрен од радиојаглеродот „бомба“ Во моментот, атмосферскиот наклон на океанот ¹⁴C практично се врати на вредностите од пред нуклеарната ера^[7], во износ (во 1950 година, во однос на специфичната дејност ¹⁴C), 226 Бк на 1 кг атмосферски јаглерод^[8].

Формирањето на ¹⁴C за време на нуклеарни експлозии стана еден од значајните фактори на загадување со радијација , бидејќи јаглеродот е вклучен во метаболизмот на живиот организам и може да се акумулира во него.

Радиојаглеродно датирање

Мерењето на радиоактивноста на органските материи од растително и животинско потекло, предизвикано од изотопот ¹⁴C, се користи за радиојаглеродно датирање на антички предмети и природни примероци. Стапката на формирање на ¹⁴C во Земјината атмосфера во секоја конкретна година се мери со содржината на овој изотоп во примероци со познати датуми, во разни прстени на дрвја итн. Затоа, познато е и учеството од ¹⁴C во јаглеродниот биланс. Живиот организам, со апсорпција на јаглерод, одржува рамнотежа од ¹⁴C идентична со околниот свет. По смртта, обновувањето на јаглеродот престанува и процентот на ¹⁴C постепено се намалува поради радиоактивното распаѓање. Со одредување на количината од ¹⁴C во примерокот, научниците можат да проценат колку долго живеел организмот.

Јаглеродни изотопски стандарди

Стандардот PDB, именуван по белемнитите од формацијата ПДБ во Јужна Каролина (САД), се користи за опишување на изотопскиот состав на јаглеродот. Овие белемнити биле избрани како стандард поради нивниот многу хомоген изотопски состав.

Фракционирање на јаглеродни изотопи во природата

Во природата, раздвојувањето на јаглеродните изотопи се случува интензивно на релативно ниски температури. За време на фотосинтезата, растенијата селективно апсорбираат лесен изотоп на јаглерод. Степенот на фракционирање зависи од биохемискиот механизам на фиксација на јаглеродот. Повеќето растенија интензивно акумулираат ¹²C, а релативната содржина на овој изотоп во нивниот состав е 15-25 ‰ повисока отколку во атмосферата. Во исто време, житните растенија, најзастапени во степските предели, се слабо збогатени со ¹²C и отстапуваат од составот на атмосферата за само 3-8 ‰

Фракционирањето на јаглеродните изотопи се случува кога _CO2 се раствора во вода и испарува, кристализира итн.

Голем број научни трудови се посветени на изотопскиот состав на јаглеродот во дијамантите.

Наводи

↑ ^1,0 ^1,1 Данные приведены по Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), „The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties“, Nuclear Physics A, 729: 3–128, Bibcode:2003NuPhA.729....3A, doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001
↑ Scobie, J.; Lewis, G. M. (1957-09). „K-capture in carbon 11“. Philosophical Magazine (англиски). 2 (21): 1089–1099. doi:10.1080/14786435708242737. ISSN 0031-8086. Проверете ги датумските вредности во: |date= (help)
↑ Campbell, J.L.; Leiper, W.; Ledingham, K.W.D.; Drever, R.W.P. (1967-04). „The ratio of K-capture to positon emission in the decay of 11C“. Nuclear Physics A (англиски). 96 (2): 279–287. doi:10.1016/0375-9474(67)90712-9. Проверете ги датумските вредности во: |date= (help)
↑ „Atomic Weight of Carbon“. CIAAW. Архивирано од изворникот на 2022-03-19. Посетено на 2022-02-04.
↑ „Atomic Weight of Hydrogen“. CIAAW. Архивирано од изворникот на 2022-03-19. Посетено на 2021-06-24.
↑ doi:10.1038/280826a0
Овој навод ќе се дополни автоматски во текот на следните неколку минути. Можете да го прескокнете редот или да го проширите рачно
↑ doi:10.2458/azu_js_rc.v55i2.16177
Овој навод ќе се дополни автоматски во текот на следните неколку минути. Можете да го прескокнете редот или да го проширите рачно
↑ „Carbon-14 and the environment“. Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety. Архивирано од изворникот на 2015-04-18.