Carbon-14
Carbon-14, 14C, or radiocarbon, is a radioactive isotope of carbon with a nucleus containing 6 protons and 8 neutrons. Its presence in organic materials is the basis of theradiocarbon dating method pioneered by Willard Libby and colleagues (1949) to date archaeological, geological and hydrogeological samples. Carbon-14 was discovered on 27 February 1940, by Martin Kamen and Sam Ruben at the University of California Radiation Laboratory in Berkeley. Its existence had been suggested by Franz Kurie in 1934.[2]
There are three naturally occurring isotopes of carbon on Earth: 99% of the carbon is carbon-12, 1% is carbon-13, and carbon-14 occurs in trace amounts, i.e., making up about 1 or 1.5 atoms per 1012 atoms of the carbon in the atmosphere. The half-life of carbon-14 is 5,730±40 years.[3] Carbon-14 decays into nitrogen-14 through beta decay.[4] A gram of carbon containing 1 atom of carbon-14 per 1012 atoms will emit 0.192[citation needed] beta rays per second. The primary natural source of carbon-14 on Earth is cosmic ray action on nitrogen in the atmosphere, and it is therefore a cosmogenic nuclide. However, open-air nuclear testing between 1955–1980 contributed to this pool.
The different isotopes of carbon do not differ appreciably in their chemical properties. This is used in chemical and biological research, in a technique called carbon labeling: carbon-14 atoms can be used to replace nonradioactive carbon, in order to trace chemical and biochemical reactions involving carbon atoms from any given organic compound.
Radioactive decay and detection[edit]
Carbon-14 goes through radioactive beta decay:
By emitting an electron and an electron antineutrino, one of the neutrons in the carbon-14 atom decays to a proton and the carbon-14 (half-life of 5730 years) decays into the stable (non-radioactive) isotope nitrogen-14.
The emitted beta particles have a maximum energy of 156 keV, while their average[clarification needed] energy is 49 keV. These are relatively low energies; the maximum distance traveled is estimated to be 22 cm in air and 0.27 mm in body tissue. The fraction of the radiation transmitted through the dead skin layer is estimated to be 0.11. Small amounts of carbon-14 are not easily detected by typical Geiger–Müller (G-M) detectors; it is estimated that G-M detectors will not normally detect contamination of less than about 100 000 disintegration per minute (0.05 µCi). Liquid scintillation counting is the preferred method.[5] The G-M counting efficiency is estimated to be 3%. The half-distance layer in water is 0.05 mm.[6]
Radiocarbon dating[edit]
Main article: Radiocarbon dating
Radiocarbon dating is a radiometric dating method that uses (14C) to determine the age of carbonaceous materials up to about 60,000 years old. The technique was developed by Willard Libby and his colleagues in 1949[7]during his tenure as a professor at the University of Chicago. Libby estimated that the radioactivity of exchangeable carbon-14 would be about 14 disintegrations per minute (dpm) per gram of pure carbon, and this is still used as the activity of the modern radiocarbon standard.[8][9] In 1960, Libby was awarded the Nobel Prize in chemistry for this work.
One of the frequent uses of the technique is to date organic remains from archaeological sites. Plants fix atmospheric carbon during photosynthesis, so the level of 14C in plants and animals when they die approximately equals the level of 14C in the atmosphere at that time. However, it decreases thereafter from radioactive decay, allowing the date of death or fixation to be estimated. The initial 14C level for the calculation can either be estimated, or else directly compared with known year-by-year data from tree-ring data (dendrochronology) up to 10,000 years ago (using overlapping data from live and dead trees in a given area), or else from cave deposits (speleothems), back to about 45,000 years before the present. A calculation or (more accurately) a direct comparison of carbon-14 levels in a sample, with tree ring or cave-deposit carbon-14 levels of a known age, then gives the wood or animal sample age-since-formation.
Origin[edit]
Natural production in the atmosphere[edit]
Carbon-14 is produced in the upper layers of the troposphere and the stratosphere by thermal neutrons absorbed by nitrogen atoms. When cosmic rays enter the atmosphere, they undergo various transformations, including the production of neutrons. The resulting neutrons (1n) participate in the following reaction:
n + 14N → 14C + p
The highest rate of carbon-14 production takes place at altitudes of 9 to 15 km (30,000 to 49,000 ft) and at high geomagnetic latitudes.
The rate of 14C production can be modelled[10] and is between 16 400 to 18 800 atoms 14C per m2, which agrees with the global carbon budget that can be used to backtrack,[11]but attempts to directly measure the production rate in situ were not very successful. Production rates vary because of changes to the cosmic ray flux caused by the heliospheric modulation (solar wind and solar magnetic field), and due to variations in the Earth's magnetic field. The latter can create significant variations in 14C production rates, although the changes of the carbon cycle can make these effects difficult to tease out.[11][12] Occasional spikes may occur; for example, there is evidence for an unusually strong increase of the production rate in AD 774–775.,[13] caused by an extreme solar energetic particle event, strongest for the last ten millennia.[14][15]
Other carbon-14 sources[edit]
Carbon-14 can also be produced by other neutron reactions, including in particular 13C(n,gamma)14C and 17O(n,alpha)14C with thermal neutrons, and 15N(n,d)14C and16O(n,3He)14C with fast neutrons.[16] The most notable routes for 14C production by thermal neutron irradiation of targets (e.g., in a nuclear reactor) are summarized in the table.
Carbon-14 may also be radiogenic (cluster decay of 223Ra, 224Ra, 226Ra). However, this origin is extremely rare.
14C production routes[17]
Formation during nuclear tests[edit]
The above-ground nuclear tests that occurred in several countries between 1955 and 1980 (see nuclear test list) dramatically increased the amount of carbon-14 in the atmosphere and subsequently in the biosphere; after the tests ended, the atmospheric concentration of the isotope began to decrease.
One side-effect of the change in atmospheric carbon-14 is that this has enabled some options (e.g. bomb-pulse dating[21]) for determining the birth year of an individual, in particular, the amount of carbon-14 in tooth enamel,[22][23] or the carbon-14 concentration in the lens of the eye.[24]
Occurrence[edit]
Dispersion in the environment[edit]
After production in the upper atmosphere, the carbon-14 atoms react rapidly to form mostly (about 93%) 14CO (carbon monoxide), which subsequently oxidizes at a slower rate to form 14CO2, radioactive carbon dioxide. The gas mixes rapidly and becomes evenly distributed throughout the atmosphere (the mixing timescale in the order of weeks). Carbon dioxide also dissolves in water and thus permeates the oceans, but at a slower rate.[12] The atmospheric half-life for removal of 14CO2 has been estimated to be roughly 12 to 16 years in the northern hemisphere. The transfer between the ocean shallow layer and the large reservoir of bicarbonates in the ocean depths occurs at a limited rate.[17] In 2009 the activity of 14C was 238 Bq per kg carbon of fresh terrestrial biomatter, close to the values before atmospheric nuclear testing (226 Bq/kg C; 1950).[25]
Total inventory[edit]
The inventory of carbon-14 in Earth's biosphere is about 300 megacuries (11 EBq), of which most is in the oceans.[26] The following inventory of carbon-14 has been given:[27]
Global inventory: ~8500 PBq (about 50 t)
Atmosphere: 140 PBq (840 kg)
Terrestrial materials: the balance
From nuclear testing (till 1990): 220 PBq (1.3 t)
In fossil fuels[edit]
Many man-made chemicals are derived from fossil fuels (such as petroleum or coal) in which 14C is greatly depleted. 14CO2--or rather, its relative absence—is therefore used to determine the relative contribution (or mixing ratio) of fossil fuel oxidation to the total carbon dioxide in a given region of the Earth's atmosphere.[28]
Dating a specific sample of fossilized carbonaceous material is more complicated. Such deposits often contain trace amounts of carbon-14. These amounts can vary significantly between samples, ranging up to 1% of the ratio found in living organisms, a concentration comparable to an apparent age of 40,000.[29] This may indicate possible contamination by small amounts of bacteria, underground sources of radiation causing the 14N(n,p)14C reaction, direct uranium decay (although reported measured ratios of 14C/U in uranium-bearing ores[30] would imply roughly 1 uranium atom for every two carbon atoms in order to cause the 14C/12C ratio, measured to be on the order of 10−15), or other unknown secondary sources of carbon-14 production. The presence of carbon-14 in the isotopic signature of a sample of carbonaceous material possibly indicates its contamination by biogenic sources or the decay of radioactive material in surrounding geologic strata. In connection with building the Borexino solar neutrino observatory, petroleum feedstock (for synthesizing the primary scintillant) was obtained with low 14C content. In the Borexino Counting Test Facility, a 14C/12C ratio of 1.94×10−18 was determined;[31] probable reactions responsible for varied levels of 14C in different petroleum reservoirs, and the lower 14C levels in methane, have been discussed by Bonvicini et al.[32]
In the human body[edit]
Since essentially all sources of human food are derived from plants, the carbon that comprises our bodies contains carbon-14 at the same concentration as the atmosphere. The rates of disintegration of potassium-40 and carbon-14 in the normal adult body are comparable (a few thousand
คาร์บอน-14คาร์บอน-14, 14C หรือ radiocarbon เป็นไอโซโทปกัมมันตรังสีของคาร์บอนกับนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน 6 และ 8 neutrons สถานะของวัสดุอินทรีย์เป็นพื้นฐานของ theradiocarbon เดทวิธีเป็นผู้บุกเบิก โดย Willard รับและเพื่อนร่วมงาน (1949) ตัวอย่างทางโบราณคดี ธรณีวิทยา และ hydrogeological วัน คาร์บอน-14 ถูกค้นพบบน 27 1940 กุมภาพันธ์ มาสค์มาร์ตินและ Sam Ruben ที่ปฏิบัติรังสีมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเบิร์กลีย์ แนะการดำรงอยู่ของ โดย Franz Kurie ใน 1934 [2]มี 3 ไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติของคาร์บอนในดิน: 99% ของคาร์บอนคือคาร์บอน-12, 1% เป็นคาร์บอน-13 และคาร์บอน-14 เกิดขึ้นในจำนวนการติดตาม เช่น ทำประมาณ 1 หรือ 1.5 อะตอมต่อ 1012 อะตอมของคาร์บอนในบรรยากาศ Half-life ของคาร์บอน-14 เป็น 5, 730±40 ปีนี้ [3] decays คาร์บอน-14 เป็นไนโตรเจน-14 ผ่านการสลายให้อนุภาคบีตา [4] เป็นกรัมของคาร์บอนที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน-14 ต่อ 1012 อะตอม 1 จะปล่อยรังสีเบต้า [ต้องการอ้างอิง] 0.192 ต่อวินาที ต้นธรรมชาติของคาร์บอน-14 ในโลกเป็นการกระทำของรังสีคอสมิกในไนโตรเจนในบรรยากาศ และจึงเป็นนิวไคลด์ cosmogenic อย่างไรก็ตาม เปิดโล่งนิวเคลียร์ระหว่างปี 1955-1980 ส่วนสระนี้ไอโซโทปต่าง ๆ ของคาร์บอนไม่แตกต่าง appreciably ในคุณสมบัติของสารเคมี ใช้สารเคมี และชีวภาพงานวิจัย ในเทคนิคที่เรียกว่าการติดฉลากคาร์บอน: อะตอมคาร์บอน-14 สามารถใช้แทนคาร์บอน nonradioactive ในการติดตามสารเคมี และชีวเคมีปฏิกิริยาเกี่ยวข้องกับอะตอมคาร์บอนจากสารประกอบอินทรีย์ใด ๆ กำหนดได้การสลายตัวของสารกัมมันตรังสีให้อนุภาคและตรวจพบ [แก้ไข]คาร์บอน-14 ไปผ่านการสลายให้อนุภาคบีตากัมมันตรังสี: โดยเปล่งเป็นอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอน antineutrino การ neutrons ใน decays อะตอมของคาร์บอน-14 เป็นโปรตอนและคาร์บอน-14 (half-life 5730 ปี) อย่างใดอย่างหนึ่ง decays เป็นไอโซโทปเสถียร (ไม่ใช่กัมมันตรังสี) ไนโตรเจน-14อนุภาคบีตา emitted มีพลังงานสูงสุดของ 156 keV ในขณะที่ค่าเฉลี่ยของพวกเขา [ชี้แจงที่จำเป็น] พลังงานเป็น 49 keV เหล่านี้เป็นพลังงานค่อนข้างต่ำ ระยะห่างสูงสุดเดินทางคือประมาณ 22 เซนติเมตร ในอากาศ และ 0.27 มม.ในเนื้อเยื่อของร่างกาย เศษส่วนของรังสีที่ส่งผ่านชั้นผิวหนังที่ตายแล้วคือประมาณ 0.11 เงินคาร์บอน-14 จะไม่ได้พบ โดยทั่วไปจับ Geiger – Müller (G-M) มีประเมินว่า จับ G-M จะไม่ปกติตรวจพบปนเปื้อนของบูรณภาพก็ประมาณ 100 000 ต่อนาที (0.05 µCi) ของเหลว scintillation นับเป็นวิธีที่ต้องการ [5] G M นับประสิทธิภาพคือประมาณ 3% ชั้นครึ่งห่างน้ำเป็น 0.05 mm. [6]กัมมันตรังสี [แก้ไข]บทความหลัก: กัมมันตรังสีกัมมันตรังสีเป็นวิธีหาคู่การนับที่ใช้ (14C) จะกำหนดอายุของวัสดุ carbonaceous ถึง 60000 ปี เทคนิคได้รับการพัฒนา โดย Willard รับและเพื่อนร่วมงานของเขาใน 1949 [7] ระหว่างอายุงานของเขาเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก รับประมาณว่า radioactivity ของกำนัลคาร์บอน-14 จะเป็น disintegrations ประมาณ 14 ต่อนาที (dpm) ต่อกรัมของคาร์บอนบริสุทธิ์ และยังใช้เป็นการ radiocarbon ทันสมัยมาตรฐาน [8] [9] ใน 1960 รับได้รับรางวัลโนเบลในสาขาเคมีสำหรับงานนี้ใช้บ่อยเทคนิคอย่างใดอย่างหนึ่งจะยังคงอินทรีย์จากเว็บไซต์โบราณคดีวัน พืชแก้ไขบรรยากาศคาร์บอนในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง เพื่อให้ระดับของ 14C ในพืชและสัตว์เมื่อพวกเขาตายประมาณเท่ากับระดับของ 14C ในบรรยากาศที่ อย่างไรก็ตาม จะลดลงหลังจากตัวของสารกัมมันตรังสีผุ ช่วยให้วันตายหรือเบีจะประมาณ ระดับ 14C เริ่มต้นสำหรับการคำนวณสามารถอาจจะประเมิน หรือ อื่น ๆ โดยตรงเปรียบเทียบกับชื่อดังโดยปีข้อมูลจากข้อมูลแผนภูมิวงแหวน (dendrochronology) ขึ้น ไป 10000 ปีที่ผ่านมา (โดยใช้ข้อมูลที่ทับซ้อนกันจากสด และต้นไม้ตายในพื้นที่ที่กำหนด), or else จากถ้ำเงินฝาก (speleothems), กลับไปประมาณ 45000 ปีก่อนปัจจุบัน การคำนวณหรือ (แม่นยำ) การเปรียบเทียบโดยตรงระดับคาร์บอน-14 ตัวอย่าง กับแหวนต้นไม้หรือถ้ำนิรภัยระดับคาร์บอน-14 อายุรู้จัก ให้ตัวอย่างไม้ หรือสัตว์อายุตั้งแต่ก่อ[แก้ไข] ต้นกำเนิดผลิตจากธรรมชาติในบรรยากาศ [แก้ไข]ผลิตคาร์บอน-14 ในชั้นบนของโทรโพสเฟียร์และสตราโทสเฟียร์ที่ ด้วย thermal neutrons เข้ากับอะตอมของไนโตรเจน เมื่อรังสีคอสมิกป้อนบรรยากาศ ที่รับแปลงต่าง ๆ รวมถึงการผลิต neutrons Neutrons ผลลัพธ์ (1n) เข้าร่วมในปฏิกิริยาต่อไปนี้:n + p → 14N 14Cอัตราสูงสุดของการผลิตคาร์บอน-14 ใช้สถาน ที่ระดับความสูง 9-15 กิโลเมตร (30000-49,000 ฟุต) และสูง geomagnetic latitudesอัตราการผลิต 14C สามารถคือ แบบจำลอง [10] และอยู่ระหว่าง 16 400-18 800 อะตอม C 14 ต่อ m2 ซึ่งตกลงกับงบประมาณคาร์บอนทั่วโลกที่สามารถใช้ backtrack, [11] แต่ความพยายามที่จะวัดอัตราการผลิตที่มีใน situ โดยตรงก็ไม่ประสบความสำเร็จมากขึ้น ราคาการผลิตแตกต่างกันไปเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์รังสีคอสมิกเกิดเอ็ม heliospheric (ลมสุริยะและสนามแม่เหล็กพลังงานแสงอาทิตย์), และเนื่อง จากการเปลี่ยนแปลงในสนามแม่เหล็กของโลก หลังสามารถสร้างความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญใน 14C ผลิตราคา แม้ว่าการเปลี่ยนแปลงของวัฏจักรคาร์บอนจะทำให้ลักษณะพิเศษเหล่านี้ยากล้อออก [11] [12] spikes เป็นครั้งคราวอาจเกิดขึ้น ตัวอย่าง มีหลักฐานในการปกติแข็งแรงเพิ่มขึ้นของอัตราการผลิตในโฆษณา 774 – 775., [13] เกิดจากอนุภาคมีพลังแสงอาทิตย์มากเหตุการณ์ แข็งแกร่งสำหรับวรรษสิบสุดท้าย [14] [15]แหล่งคาร์บอน-14 อื่น ๆ [แก้ไข]คาร์บอน-14 ผลิต โดยปฏิกิริยานิวตรอนอื่น ๆ รวมเฉพาะ 13C (n แกมมา) 14C และ 17O C 14 (n อัลฟา) ด้วย thermal neutrons, 15N (n, d) 14C and16O(n,3He) C 14 กับ neutrons รวดเร็วได้ [16] เส้นทางสุดโดดเด่นสำหรับการผลิต 14C โดยวิธีการฉายรังสีนิวตรอนความร้อนของเป้าหมาย (เช่น ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์) ได้สรุปไว้ในตารางคาร์บอน-14 อาจ radiogenic (คลัสเตอร์ผุ 226Ra, 224Ra, 223Ra) อย่างไรก็ตาม จุดเริ่มต้นนี้มีน้อยมากกระบวนการผลิต 14C [17]ก่อตัวในระหว่างการทดสอบนิวเคลียร์ [แก้ไข]การทดสอบนิวเคลียร์บนพื้นดินที่เกิดขึ้นในหลายประเทศระหว่าง 1955 และ 1980 (ดูรายการทดสอบนิวเคลียร์) เพิ่มจำนวนคาร์บอน-14 ในบรรยากาศ และในเวลาต่อมา ใน ชีวบริเวณ อย่างมาก หลังจากสิ้นสุดการทดสอบ บรรยากาศความเข้มข้นของไอโซโทปเริ่มลดลงหนึ่งผลข้างเคียงการเปลี่ยนแปลงในบรรยากาศคาร์บอน-14 เป็นว่า นี้ได้เปิดใช้งานตัวเลือกบางตัว (เช่น dating[21]) ระเบิดชีพจรในการกำหนดปีเกิดของบุคคล เฉพาะ จำนวนของคาร์บอน-14 ในฟันเคลือบ, [22] [23] หรือความเข้มข้นคาร์บอน-14 ในเลนส์ตา [24]เกิดขึ้น [แก้ไข]แพร่กระจายในสิ่งแวดล้อม [แก้ไข]หลังจากผลิตในบรรยากาศบน อะตอมคาร์บอน-14 ตอบสนองอย่างรวดเร็วแบบฟอร์มส่วนใหญ่ (ประมาณ 93%) 14CO (คาร์บอนมอนอกไซด์), ซึ่งต่อมา oxidizes ในอัตราที่ช้าลงจะฟอร์ม 14CO2 กัมมันตรังสีคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซผสมอย่างรวดเร็ว และจะกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วบรรยากาศ (สเกลผสมกับสัปดาห์ที่ผ่านมา) ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ละลายในน้ำยัง และดังนั้น บริเวณห่างออกไปมหาสมุทร แต่ ในอัตราช้าลง [12] มีการประมาณ half-life ในบรรยากาศสำหรับลบ 14CO2 จะประมาณ 12-16 ปีในซีกโลกเหนือ การโอนย้ายระหว่างอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่ของ bicarbonates ในความลึกของมหาสมุทรและชั้นน้ำตื้นทะเลเกิดขึ้นในอัตราที่จำกัด [17] ในปี 2009 การ 14C ถูกนโต้ 238 ต่อกิโลกรัมคาร์บอนของสด biomatter ภาคพื้น ใกล้กับค่าก่อนบรรยากาศนิวเคลียร์ (226 C กิโลกรัมนโต้ 1950) [25]รวมสินค้าคงคลัง [แก้ไข]สินค้าคงคลังของคาร์บอน-14 ในชีวบริเวณของโลกคือ ประมาณ 300 megacuries (11 EBq), มากที่สุดอยู่ในมหาสมุทร [26] ต่อไปนี้สินค้าคงคลังของคาร์บอน-14 ได้รับ: [27]สินค้าคงคลังทั่วโลก: ~ 8500 แผ่น PBq (ประมาณ 50 t)บรรยากาศ: 140 PBq (840 กิโลกรัม)วัสดุภาคพื้น: ดุลจากการทดสอบนิวเคลียร์ (จนถึงปี 1990): 220 PBq (1.3 t)ในเชื้อเพลิงฟอสซิล [แก้ไข]ในสารเคมีที่มนุษย์สร้างขึ้นมาจากการเชื้อเพลิงฟอสซิล (เช่นน้ำมันหรือถ่านหิน) ที่ที่ 14 C อย่างมากสิ้นสุดลง 14CO2 - หรือมากกว่า ขาดความสัมพันธ์ซึ่งใช้ดังนั้นการกำหนดสัดส่วนสัมพัทธ์ (หรืออัตราส่วนผสม) ของเชื้อเพลิงฟอสซิลเกิดออกซิเดชันกับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์รวมในภูมิภาคที่กำหนดของบรรยากาศของโลก [28]Dating a specific sample of fossilized carbonaceous material is more complicated. Such deposits often contain trace amounts of carbon-14. These amounts can vary significantly between samples, ranging up to 1% of the ratio found in living organisms, a concentration comparable to an apparent age of 40,000.[29] This may indicate possible contamination by small amounts of bacteria, underground sources of radiation causing the 14N(n,p)14C reaction, direct uranium decay (although reported measured ratios of 14C/U in uranium-bearing ores[30] would imply roughly 1 uranium atom for every two carbon atoms in order to cause the 14C/12C ratio, measured to be on the order of 10−15), or other unknown secondary sources of carbon-14 production. The presence of carbon-14 in the isotopic signature of a sample of carbonaceous material possibly indicates its contamination by biogenic sources or the decay of radioactive material in surrounding geologic strata. In connection with building the Borexino solar neutrino observatory, petroleum feedstock (for synthesizing the primary scintillant) was obtained with low 14C content. In the Borexino Counting Test Facility, a 14C/12C ratio of 1.94×10−18 was determined;[31] probable reactions responsible for varied levels of 14C in different petroleum reservoirs, and the lower 14C levels in methane, have been discussed by Bonvicini et al.[32]In the human body[edit]Since essentially all sources of human food are derived from plants, the carbon that comprises our bodies contains carbon-14 at the same concentration as the atmosphere. The rates of disintegration of potassium-40 and carbon-14 in the normal adult body are comparable (a few thousand
การแปล กรุณารอสักครู่..
