Просмотр кода страницы Изотопы углерода

'''Изото́пы углеро́да''' — разновидности [[атом]]ов (и [[Атомное ядро|ядер]]) [[химический элемент|химического элемента]] [[углерод]]а, имеющие разное содержание [[нейтрон]]ов в ядре. Углерод имеет два стабильных [[изотоп]]а — [[Углерод-12|<sup>12</sup>C]] и [[Углерод-13|<sup>13</sup>C]]. Содержание этих изотопов в природном углероде равно соответственно 98,93 % и 1,07 %. Известны также 13 радиоактивных изотопов углерода (от <sup>8</sup>C до <sup>22</sup>C), из которых один — [[Углерод-14|<sup>14</sup>C]] — встречается в природе (его содержание в атмосферном углероде около 10<sup>−12</sup>). [[Ядерная изомерия|Изомерные состояния]] неизвестны. Углерод — лёгкий элемент, и его изотопы значительно различаются по массе, а значит и по физическим свойствам, поэтому во многих природных процессах происходит их разделение (фракционирование). Самым долгоживущим радиоизотопом является <sup>14</sup>C с периодом полураспада 5700 лет.

== Таблица изотопов углерода ==
{| class="wikitable" style="font-size:95%"
! rowspan="2" | Символ <br> [[нуклид]]а
! [[Зарядовое число|{{math|''Z''}}]]([[протон|p]])
! {{math|''N''}}([[нейтрон|n]])
! Масса изотопа<ref name="AME2016">Данные приведены по {{AME2016|1}}</ref> <br> ([[Атомная единица массы|а. е. м.]])
! rowspan="2" | [[Период полураспада|Период <br> полураспада]]<ref name="Nubase2003">Данные приведены по {{Справочник:Nubase2003}}</ref><br>({{math|''T''<sub>1/2</sub>}})
! rowspan="2" |Канал распада
! rowspan="2" |Продукт распада
! rowspan="2" | [[Спин]] и [[Чётность (физика)|чётность]]<br> ядра<ref name="Nubase2003"/>
! rowspan="2" | [[Изотопная распространённость|Распространённость <br> изотопа в природе]]
! rowspan="2" | Диапазон изменения изотопной распространённости в природе
|-
! colspan="3" | Энергия возбуждения
|-
| <sup>8</sup>C
| style="text-align:right" | 6
| style="text-align:right" | 2
| {{val|8,037643|(20)}}
| {{val|3,5|d=14|e=-21|u=с}} <br>[{{val|230|d=50|u=кэВ}}]
| [[Протонный распад#Двухпротонный распад|2p]]
| <sup>6</sup>Be
| 0+
|
|
|-
| rowspan=2|<sup>9</sup>C
| rowspan=2 style="text-align:right" | 6
| rowspan=2 style="text-align:right" | 3
| rowspan=2|{{val|9,0310372|(23)}}
| rowspan=2|{{val|126,5|d=9|u=мс}}
| [[Бета-распад|β<sup>+</sup>]], [[Протонный распад|p]] (61,6 %)
| <sup>8</sup>Be
| rowspan=2|3/2−
| rowspan=2|
| rowspan=2|
|-
| β<sup>+</sup>, [[Альфа-распад|α]] (38,4 %)
| <sup>5</sup>Li
|-
| <sup>10</sup>C
| style="text-align:right" | 6
| style="text-align:right" | 4
| {{val|10,01685322|d=8}}
| {{val|19,3011|d=15|u=с}}
| β<sup>+</sup>
| '''<sup>10</sup>B'''
| 0+
|
|
|-
| rowspan=2|<sup>11</sup>C<ref group="n">Используется для [[Позитронно-эмиссионная томография|позитронно-эмиссионной томографии]].</ref>
| rowspan=2 style="text-align:right" | 6
| rowspan=2 style="text-align:right" | 5
| rowspan=2 |{{val|11,01143260|d=6}}
| rowspan=2 |{{val|20,3402|d=53|u=мин}}
| β<sup>+</sup> (99,79 %)
| '''<sup>11</sup>B'''
| rowspan=2 |3/2−
| rowspan=2 |
| rowspan=2 |
|-
| [[Электронный захват|ЭЗ]] (0,21 %)<ref name="11C-Scobie">{{статья|автор=Scobie J., Lewis G. M.|заглавие=K-capture in carbon 11|издание=Philosophical Magazine|год=1957|том=2|выпуск=21|страницы=1089–1099|ссылка=|doi=10.1080/14786435708242737|bibcode = 1957PMag....2.1089S|arxiv=|язык=en}}</ref><ref name="11C-Campbell">{{статья|автор=Campbell J. L., Leiper W., Ledingham K. W. D., Drever R. W. P.|заглавие=The ratio of K-capture to positron emission in the decay of <sup>11</sup>C|издание=Nuclear Physics A|год=1967|том=96|выпуск=2|страницы=279–287|ссылка=|doi=10.1016/0375-9474(67)90712-9|bibcode = 1967NuPhA..96..279C |arxiv=|язык=en}}</ref>
| '''<sup>11</sup>B'''
|-
| [[Углерод-12|<sup>12</sup>C]]
| style="text-align:right" | 6
| style="text-align:right" | 6
| 12 по определению<ref group="n">[[Атомная единица массы]] определяется как 1⁄12 массы свободного покоящегося атома углерода <sup>12</sup>C, находящегося в основном состоянии.</ref>
| colspan=3 align=center|'''стабилен'''
| 0+
| [{{val|0,9884}}, {{val|0,9904}}]<ref name="Atomic Weight of Carbon">{{Cite web|title=Atomic Weight of Carbon|url=https://ciaaw.org/carbon.htm|url-status=live|website=CIAAW|access-date=2022-02-04|archive-date=2022-03-19|archive-url=https://web.archive.org/web/20220319065152/https://www.ciaaw.org/carbon.htm}}</ref>
|-
| [[Углерод-13|<sup>13</sup>C]]
| style="text-align:right" | 6
| style="text-align:right" | 7
| {{val|13,00335483534|d=25}}
| colspan=3 align=center|'''стабилен'''
| 1/2−
| [{{val|0,0096}}, {{val|0,0116}}]<ref name="Atomic Weight of Hydrogen">{{Cite web|title=Atomic Weight of Hydrogen|url=https://ciaaw.org/hydrogen.htm|url-status=live|access-date=2021-06-24|website=CIAAW|archive-date=2022-03-19|archive-url=https://web.archive.org/web/20220319075403/https://www.ciaaw.org/hydrogen.htm}}</ref>
|-
| [[Углерод-14|<sup>14</sup>C]]<ref group="n">Используется для [[Радиоуглеродное датирование|радиоуглеродного датирования]]</ref>
| style="text-align:right" | 6
| style="text-align:right" | 8
| {{val|14,0032419890|d=4}}
| {{val|5,70|d=3|e=3|u=года}}
| β<sup>−</sup>
| '''<sup>14</sup>N'''
| 0+
| следовые количества
| <10<sup>−12</sup>
|-
| <sup>15</sup>C
| style="text-align:right" | 6
| style="text-align:right" | 9
| {{val|15,0105993|d=9}}
| {{val|2,449|d=5|u=с}}
| β<sup>−</sup>
| '''<sup>15</sup>N'''
| 1/2+
|
|
|-
| rowspan=2|<sup>16</sup>C
| rowspan=2 style="text-align:right" | 6
| rowspan=2 style="text-align:right" | 10
| rowspan=2|{{val|16,014701|d=4}}
| rowspan=2|{{val|750|d=6|u=мс}}
| β<sup>−</sup>, [[Нейтронный распад|n]] (99,0 %)
| '''<sup>15</sup>N'''
| rowspan=2|0+
| rowspan=2|
| rowspan=2|
|-
| β<sup>−</sup> (1,0 %)
| <sup>16</sup>N
|-
| rowspan=2|<sup>17</sup>C
| rowspan=2 style="text-align:right" | 6
| rowspan=2 style="text-align:right" | 11
| rowspan=2|{{val|17,022579|d=19}}
| rowspan=2|{{val|193|d=6|u=мс}}
| β<sup>−</sup> (71,6 %)
| <sup>17</sup>N
| rowspan=2|3/2+
| rowspan=2|
| rowspan=2|
|-
| β<sup>−</sup>, n (28,4 %)
| <sup>16</sup>N
|-
| rowspan=2|<sup>18</sup>C
| rowspan=2 style="text-align:right" | 6
| rowspan=2 style="text-align:right" | 12
| rowspan=2|{{val|18,02675|d=3}}
| rowspan=2|{{val|92|d=2|u=мс}}
| β<sup>−</sup> (68,5 %)
| <sup>18</sup>N
| rowspan=2|0+
| rowspan=2|
| rowspan=2|
|-
| β<sup>−</sup>, n (31,5 %)
| <sup>17</sup>N
|-
| rowspan=3|<sup>19</sup>C
| rowspan=3 style="text-align:right" | 6
| rowspan=3 style="text-align:right" | 13
| rowspan=3|{{val|19,03480|d=11}}
| rowspan=3|{{val|46,2|d=23|u=мс}}
| β<sup>−</sup>, n (47 %)
| <sup>18</sup>N
| rowspan=3|1/2+
| rowspan=3|
| rowspan=3|
|-
| β<sup>−</sup> (46 %)
| <sup>19</sup>N
|-
| β<sup>−</sup>, 2n (7 %)
| <sup>17</sup>N
|-
| rowspan=3|<sup>20</sup>C
| rowspan=3 style="text-align:right" | 6
| rowspan=3 style="text-align:right" | 14
| rowspan=3|{{val|20,04026|d=25}}
| rowspan=3|{{val|16|d=3|u=мс}}
| β<sup>−</sup>, n (70 %)
| <sup>19</sup>N
| rowspan=3|0+
| rowspan=3|
| rowspan=3|
|-
| β<sup>−</sup>, 2n (<18,6 %)
| <sup>18</sup>N
|-
| β<sup>−</sup> (>11,4 %)
| <sup>20</sup>N
|-
| <sup>21</sup>C
| style="text-align:right" | 6
| style="text-align:right" | 15
| {{val|21,04900|d=64}}#
| <{{val|30|u=нс}}
| n
| <sup>20</sup>C
| 1/2+#
|
|
|-
| rowspan=3|<sup>22</sup>C
| rowspan=3 style="text-align:right" | 6
| rowspan=3 style="text-align:right" | 16
| rowspan=3|{{val|22,05755|d=25}}
| rowspan=3|{{val|6,2|d=13|u=мс}}
| β<sup>−</sup>, n (61 %)
| <sup>21</sup>N
| rowspan=3|0+
| rowspan=3|
| rowspan=3|
|-
| β<sup>−</sup>, 2n (<37 %)
| <sup>20</sup>N
|-
| β<sup>−</sup> (>2 %)
| <sup>22</sup>N


|}
{{примечания |group="n"}}

=== Пояснения к таблице ===
* Индексами 'm', 'n', 'p' (рядом с символом) обозначены возбужденные изомерные состояния нуклида.

* Символами, выделенными '''жирным шрифтом''', обозначены стабильные продукты распада. Символами, выделенными '''''жирным курсивом''''', обозначены радиоактивные продукты распада, имеющие периоды полураспада, сравнимые с возрастом Земли или превосходящие его и вследствие этого присутствующие в природной смеси.

* Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических [[тренд]]ов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями {{math|''Z''}} и {{math|''N''}}). Неуверенно определённые значения спина и/или чётности заключены в скобки.

* [[Погрешность]] приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно [[стандартное отклонение]] (за исключением [[изотопная распространённость|распространённости]] и стандартной атомной массы изотопа по данным [[ИЮПАК]], для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: 29770,6(5) означает 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означает 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означает −2200,2 ± 1,8.

== Изотоп <sup>14</sup>C ==
{{main|Углерод-14}}

Помимо стабильных изотопов углерода в природе встречается радиоактивный изотоп <sup>14</sup>C (радиоуглерод). Он образуется при облучении [[Азот-14|<sup>14</sup>N]] [[нейтрон]]ами по следующей реакции:

: <math>\mathrm{{}^{14}_{7}N} + \mathrm{{}^{1}_{0}n} \rightarrow \mathrm{{}^{14}_{6}C} + \mathrm{{}^{1}_{1}H}.</math>

Кроме азотной реакции, <sup>14</sup>C может образовываться при нейтронном облучении изотопа [[кислород]]а <sup>17</sup>O по [[Ядерные реакции|реакции]] {{nobr|{{supsub|17|8}}O + n → {{supsub|14|6}}C + α}}, однако в атмосфере содержание <sup>17</sup>O крайне мало и этот путь образования <sup>14</sup>C учитывается только в ядерных технологиях.

В природе <sup>14</sup>C образуется в [[Атмосфера Земли|атмосфере]] из атмосферного [[азот]]а-14 под действием [[космическое излучение|космического излучения]]. С небольшой скоростью углерод-14 образуется и в [[земная кора|земной коре]].

Равновесное содержание <sup>14</sup>C в земной атмосфере и биосфере по отношению к стабильному углероду составляет ~10<sup>−12</sup>. С начала активного использования ископаемого топлива (угля, нефти, газа) в атмосферу постоянно поступает углекислый газ, не содержащий радиоуглерода (распавшегося за миллионы лет), что приводит к постепенному уменьшению отношения <sup>14</sup>C/<sup>12</sup>C в атмосфере; однако это разбавление атмосферного углерода нерадиоактивным ископаемым углеродом (так называемый {{Iw|эффект Зюсса|||Suess effect}}) привело за всё время с начала индустриализации (XVIII век) к уменьшению удельной активности <sup>14</sup>C в атмосфере лишь на 1,5…2,5 %<ref>{{cite doi|10.1038/280826a0}}</ref>, а в океанах удельная активность <sup>14</sup>C уменьшилась лишь на 0,2 %. Значительно более существенное и резкое изменение, начавшееся в 1945 году, связано с ядерными и особенно термоядерными взрывами в атмосфере, создающими большой поток нейтронов и превращающими атмосферный азот-14 в углерод-14 по вышеприведённой реакции. Этот эффект достиг максимума в середине 1960-х; общее содержание <sup>14</sup>C в [[Тропосфера|тропосфере]] Северного полушария увеличилось почти вдвое. После [[Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой|запрета ядерных испытаний в атмосфере]] тропосферное содержание <sup>14</sup>C стало быстро уменьшаться (двукратное снижение каждые {{nobr|12—16 лет}}) вследствие прихода к равновесию тропосферного резервуара с океаном, который обладает значительно большей ёмкостью, чем атмосфера, и почти не был затронут «бомбовым» радиоуглеродом. К настоящему времени атмосферное содержание <sup>14</sup>C практически вернулось к значениям доядерной эры<ref>{{cite doi|10.2458/azu_js_rc.v55i2.16177}}</ref>, составлявшим (на 1950 год, в пересчёте на удельную [[Активность радиоактивного источника|активность]] <sup>14</sup>C), {{nobr|226 [[Беккерель (единица измерения)|Бк]]}} на 1 кг атмосферного углерода<ref>{{cite web | url= http://www.irsn.fr/EN/Research/publications-documentation/radionuclides-sheets/environment/Pages/carbon14-environment.aspx#3 | publisher= Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety | title= Carbon-14 and the environment| archive-url= https://web.archive.org/web/20150418012710/http://www.irsn.fr/EN/Research/publications-documentation/radionuclides-sheets/environment/Pages/carbon14-environment.aspx#3 | archive-date= 2015-04-18 }}</ref>.

Образование <sup>14</sup>C при ядерных взрывах стало одним из значимых факторов радиационного загрязнения<ref>''Сахаров А. Д.'' [http://scienceandglobalsecurity.org/ru/archive/sgsr17sakharov.pdf  РАДИОАКТИВНЫЙ УГЛЕРОД ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ И НЕПОРОГОВЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ] {{Wayback|url=http://scienceandglobalsecurity.org/ru/archive/sgsr17sakharov.pdf |date=20141031223834 }}</ref>, поскольку углерод участвует в обмене веществ живого организма и может накапливаться в нем.

=== Радиоуглеродный анализ ===
{{main|Радиоуглеродный анализ}}
Измерение радиоактивности органических веществ растительного и животного происхождения, обусловленной изотопом <sup>14</sup>C, применяется для радиоуглеродного анализа возраста старинных предметов и природных образцов. Темп образования <sup>14</sup>C в атмосфере Земли в каждый конкретный год измерен по содержанию данного изотопа в образцах с известными датировками, в различных годичных кольцах деревьев и пр. Поэтому и доля <sup>14</sup>C в углеродном балансе тоже известна. Живой организм, поглощая углерод, поддерживает баланс <sup>14</sup>C идентичным с окружающим миром. После гибели обновление углерода прекращается, и доля <sup>14</sup>C постепенно уменьшается вследствие радиоактивного распада. Определяя количество <sup>14</sup>C в образце, учёные могут оценить, как давно жил этот организм.

== Стандарты изотопного состава углерода ==
Для описания изотопного состава углерода применяется стандарт PDB, название которого происходит от [[белемнит]]ов из формации Peedee в [[Южная Каролина|Южной Каролине]] ([[США]]). Эти белемниты были выбраны в качестве стандарта по причине очень однородного изотопного состава.

== Фракционирование изотопов углерода в природе ==
В природе разделение изотопов углерода интенсивно происходит при относительно низких температурах. Растения при фотосинтезе избирательно поглощают лёгкий изотоп углерода. Степень фракционирования зависит от биохимического механизма связывания углерода. Большинство растений интенсивно накапливают <sup>12</sup>C, и относительное содержание этого изотопа в их составе на 15—25 [[Промилле|‰]] выше, чем в атмосфере. В то же время злаковые растения, наиболее распространённые в степных ландшафтах, слабо обогащены <sup>12</sup>C и отклоняются от состава атмосферы лишь на 3—8 ‰

Фракционирование изотопов углерода происходит при растворении [[Углекислый газ|CO<sub>2</sub>]] в воде и его испарении, кристаллизации и т. п.

Большое число научных работ посвящено изотопному составу углерода [[алмаз]]ов.

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки ==
* [http://www2.ocean.washington.edu/oc540/lec01-27/ CARBON-14 SYSTEMATICS]
* [http://www.uga.edu/~sisbl/stable.html Overview of Stable Isotope Research]

{{Изотопы углерода}}
{{Список изотопов|бора|азота}}

[[Категория:Изотопы углерода|Углерод]]