Углерод-14

Природный углерод, который в основном состоит из стабильного изотопа 12С, содержит ~1% стабильного изотопа *ЗС и ничтожное количество (Ю',0%) радиоактивного изотопа ,4С. Искусственным путём получают радиоактивные изотопы ШС, “С и нс. Изотопы 10С и “С имеют период полураспада соответственно 19 с и 20,5 мин; оба изотопа - позитронные излучатели; при распаде образуют изотопы бериллия (Be). Так как углерод является существенной частью всех биологических соединений, то изотоп ,4С используется в биологии и медицине очень широко, в химии он применяется в методе радиоактивных индикаторов.

Углерод-14,14С (радиоуглерод), 14,003241989, избыток массы 3019*893 КВ, удельная энергия связи на нуклон 7520,319 кэВ, Т=5,70(3) 10я л, р-распад, энергия распада 0,136476 МэВ, продукт распада I4N, спин и четность ядра о*. Впервые синтезирован ММ-Камеи и С.Рубен в 1940 г.

Углерод-14, как природный радиоактивный изотоп, используют для установления возраста в геологии, при датировании биоматериалов возраста до 5000 лет, для определения возраста археологических находок, в физике атмосферы, геоморфологии, гляциологии, гидрологии и почвоведении, в физике космических лучей, физике Солнца. Препараты, меченные *4С, применяют в методе радиоактивных индикаторов.

Углерод-14 претерпевает (3 -распад, в результате которого образуется стабильный нуклид 14N (выделяемая энергия 156,476 кэВ):

Максимальный пробег этого изотопа в веществе очень мал - 31 мг/см2, т.е. ~о,12 мм в алюминии, 0,38 в биологической ткани или воде и 23 мм в воздухе. Слой половинного ослабления (3-излучения 14С равен 2,6 мг/см2.

Получить изотоп 14С можно с помощью ряда реакций. Если углерод, обогащённый изотопом ‘зС, бомбардировать нейтронами, то некоторая его часть превращается в 14С за счёт реакции.

Если углерод, обогащенный *зС, бомбардировать дейтронами, то образуется 14С:

Ни одну из этих реакций нельзя считать удобной, так как для концентрирования *зС, а затем и ,4С должен быть использован масс- спектрометр.

Радионуклид 14С получают облучением нейтронами нитрида алюминия по реакции:

14С выделяют в виде 14С02, который обычно поглощают Ва(ОН)2, и получают ,4С-карбонат - основное радиоактивное сырье для всех синтезов 14С-соединений.

Всё обилие ,4С-меченных соединений синтезируется двумя путями:

Биосинтез. В питательную среду к микроорганизмам (обычно это водоросли типа хлореллы) добавляют 14С0в в качестве единственного источника углерода. После выращивания из биомассы выделяют равномерно меченые 14С-соединения.

Таким путём получают аминокислоты, нуклеозиды, сахара, липидные компоненты и другие природные соединения.

Химический синтез. Синтез всего многообразия органических веществ из карбоната — классическая задача органической химии. Многочисленные цепочки превращений органических соединений реализованы в синтезе **С-соединений.

Поскольку период полураспада 14С велик, то для получения измеримого числа отсчётов необходима высокая концентрация этого изотопа. При распаде ,4С испускает только электроны; испускание у-излучения отсутствует. Максимальная энергия электронов 0,154 МэВ. Применяются различные способы регистрации этих электронов. Иногда образец, содержащий *4С, заделывают в таблетку карбоната бария (ВаС03) и помещают внутри счётчика Гейгера. Разработаны гейгеровские счётчики, предназначенные для наполнения их изотопом 14С в виде газа иС02. Используются и жидкие сцинтилляторы. Образец не должен быть очень толстым, так как все испускаемые им (5-лучи поглощаются при прохождении через несколько миллиметров твёрдого или жидкого вещества.

Хотя с детектированием (5-излучения ‘«С особых проблем не возникает, применение 14С-соединений в биологии и химии ограничено. Это связано с очень низкой молярной активностью меченых веществ. Обычно молярная активность 14С-соединений не превышает 20-5-50 мКи/ммоль, (у соединений трития в юоо раз выше, а у фосфора-32 или 33 еще в юо раз выше) и, следовательно, по чувствительности методы с использованием ^С-соединений значительно уступают методам, в которых используют зн- соединения.

Углерод-14 образуется в верхних слоях тропосферы и стратосферы в результате поглощения атомами 14N вторичных тепловых нейтронов космического излучения:

с наиоолыпеи скоростью 14с ооразуется на высоте от g до 15 км на высоких геомагнитных широтах, однако затем он равномерно распределяется по всей атмосфере.

Замечание. Облучение космическими лучами атмосферного ,4N даёт ю расп./мин на 1 г углерода, находящийся в равновесии с атмосферным С02.

Роль других реакций — ‘sN(n, а),4С; 0(р, 3р),4С; 170(п, а)14С; *зС(л,у) 14С в образовании природного ,4С незначительна из-за малых сечений взаимодействия и низкого содержания ядер этих изотопов в естественной смеси элементов. Ещё один природный канал образования 14С — кластерный распад некоторых тяжёлых ядер, входящих в радиоактивные ряды. В настоящее время обнаружен распад с эмиссией 14С ядер 224Ra (ряд тория), 223Ra (ряд урана-актиния), 226Ra (ряд урана-радия). Скорость образования радиогенного 14С по этому каналу пренебрежимо мала по сравнению со скоростью образования космогенного ,4С.

Над 1 см2 поверхности Земли за 1 с образуется 2,3 ядра 14С, что составляет 9,7-ю23 атом/сут, 22,5 г/сут, что по активности составляет

4,1 ТБк/сут или 1 ПБк/год. Среднее содержание природного нуклида в атмосфере и биосфере остаётся постоянным: 227*1 Бк/кг углерода. Общее количество космогенного 14С в биосфере оценивается 8,5 ЭБк, при этом в стратосфере находится 0,3%, в тропосфере 1,6%, на поверхности Земли 4%, в верхних перемешивающихся слоях океана 2,2%, в глубинных слоях океана 92%, в донных океанологических отложениях 0,4%.

Ежегодно в атмосфере образуется 8 кг этого нуклида. Земля существует миллиарды лет, и если бы ядра ‘«С были бы стабильными, то их масса на Земле исчислялась бы десятками миллионов тонн. Однако нуклид 14С радиоактивен и непрерывно распадается. Поэтому всего на Земле имеется 6о тонн радиоуглерода, из которых ежегодно распадается 8 кг — столько же, сколько его образуется. В атмосферном углекислом газе количество ‘«С составляет 1 тонну, или з«ю_11% от «обычного» атмосферного углерода (12С+13С); остальной радиоуглерод в растворен в воде океанов. Содержание 14С нарушалось в период 50-х — начала бо-х годов XX века в результате испытаний ядерного оружия, и лишь к началу XXI века оно почти вернулось к прежнему уровню.

Относительное содержание ,4С по отношению к «обычному» (12С) в атмосфере остаётся постоянным (i:io12). Как и обычный углерод, 14С вступает в реакцию с кислородом, образуя углекислый газ, который нужен растениям в процессе фотосинтеза. Люди и животные затем потребляют растения и изготовленные из них продукты в пищу, усваивая и 14С.

Антропогенный 14С образуется в основном подобно природному, т.е. нейтроны (возникающие в большом количестве при взрыве ядерных бомб) поглощаются ядрами 14N. Количество 14С зависит от типа бомбы (атомная или термоядерная), её конструкции и используемых материалов, а также мощности (плотность потока нейтронов). Величина выхода 14С при взрывах по реакции синтеза равна 0,65 ПБк/Мт, по реакции деления — в пять раз меньше (0,12 ПБк/Мт). При термоядерных взрывах 90% радиационного фона в атмосфере обусловлено 14С. За период 1945—1980 гг. образовалось

249,2 ПБк 14С. По некоторым оценкам, радиационные последствия для населения от таких выбросов будут сказываться ещё юооо лет.

После 1981 г. испытания ядерного оружия в атмосфере прекратились, и предприятия ядерной индустрии оказались единственным мощным источником антропогенного нуклида, способным заметно влиять на повышение его концентрации в атмосфере и биосфере Земли. Этот нуклид образуется в активной зоне атомных реакторов любого типа, где существуют мощные потоки нейтронов, которые взаимодействуют с материалами конструкций реактора, с веществом теплоносителя, замедлителя, топлива и имеющимися в них примесями: ,4N(n,p),4C; 'зС(п,у)14С;

235U(n/)14C (тройное деление 2ззи в топливе).

Вклад каждой из этих реакций в образование нуклида зависит от типа и особенностей конструкции реактора. Удельный выход 14С при облучении тепловыми нейтронами некоторых веществ, применяемых в качестве замедлителя или теплоносителя по реакции (л, р), в газообразном азоте и воздухе на четыре порядка выше, чем по реакции (л, а) в воде, углекислом газе или кислороде воздуха благодаря большому сечению взаимодействия тепловых нейтронов с ядрами азота (0=1750 мбарн) и его высокому содержанию в воздухе (78%). Выход 14С по реакции (л, у) в графите еще на порядок ниже, чем по реакции (л, а). Скорость образования 14С в топливе зависит от концентрации азота: при обычном его содержании (0,001— 0,002%) скорость составляет 0,44-2,5 ТБк/(ГВт/год), а в воде теплоносителя-замедлителя находится в пределах 0,24-0,5 ТБк/(ГВтэ/год). Основная особенность уран-графитовых реакторов РБМК с кипящей водой — наличие большого количества азота в активной зоне, используемого в смеси с гелием для охлаждения замедлителя, и большой массы углерода самого замедлителя. Это приводит к большей скорости генерации 14С до величины 24-3 ТБк/ (ГВтэ/год), что на порядок больше, чем в реакторах типа ВВЭР. Углерод-14, образующийся в теплоносителе и замедлителе, частично выбрасывается в окружающую среду в виде газоаэрозолей, а из топлива реакторов — с радиоактивными отходами заводов по его переработке. Часть образующегося 14С попадает во внешнюю среду с жидкими сбросами в виде растворимых карбонатов и углекислоты.

Радиоуглерод высокоподвижен. С мест выбросов в результате атмосферных процессов нуклид переносится на большие расстояния и, окисляясь до 14С02, вступает в естественный круговорот углерода.

После образования атомов 14С, они мгновенно окисляются в воздухе до 14СО, а затем в течение нескольких недель — до ,4С02, молекулы которого равномерно перемешиваются с воздухом. Углекислый газ атмосферы - основной источник углерода, который в огромных количествах усваивается растениями в процессах фотосинтеза. Растениями питаются животные, поэтому вся живая органическая материя содержит радиоуглерод, хотя и в ничтожных количествах (i,i8 io_14% относительно ,2С). Большое время его жизни способствует его равномерному распределению. В результате обменных процессов, протекающих в живой природе, содержание иС в растениях и животных в течение их жизни остается постоянным (хотя в разных растениях — разным). Но как только обмен с окружающей средой прекращается, содержание радиоуглерода начинает очень медленно снижаться.

Весь земной углерод сосредоточен в двух бассейнах — «осадочном» и «обменном». Углерод первого бассейна (углерод осадочных пород, уголь, нефть и другие ископаемые) не участвует в естественных обменных процессах, он вступает в круговорот только после сжигания органического топлива. Углерод второго бассейна, в котором находится 0,17% всего земного количества углерода, причем 90% его — в глубинных водах Мирового океана, участвует в круговороте отдельными его резервуарами: атмосферой, биосферой, гидросферой и др. Круговорот углерода в природе состоит из двух циклов, проходящих параллельно в наземной и морской частях биосферы и связанных атмосферой. Скорость обмена углерода между резервуарами «обменного» бассейна различна: среднее время пребывания молекулы С02 в атмосфере до её перехода в воду океана составляет несколько лет, а выделение его из морских глубин в атмосферу — до нескольких сотен лет, а из осадочных пород в атмосферу несколько миллионов лет. Осадочные породы захоранивают радиоуглерод, и выходят из природного круговорота. Период полуочищения атмосферы оценивается 1,54-5 годами. Удельная активность 14С в биосфере на поверхности земли достигает 230 Бк/кг 12С.

Окисленный во внешней среде до 14С02, радиоуглерод за счёт фотосинтеза накапливается в растениях (в незначительных количествах поглощается и из почвы), а затем по пищевым цепочкам поступает животным и человеку. Коэффициент перехода в цепочке «атмосферный углерод — углерод растений» равен единице, а равновесие устанавливается в течение двух-трёх месяцев. За время интенсивных испытаний ядерного оружия (1963—1964) содержание 14С в растительных продуктах, молоке, мясе повысилось примерно в два раза по сравнению с природным фоном. Период полуочищения продуктов питания составляет шесть лет.

В 1 г природного «живого» углерода происходит 15,3 распада ,4С в минуту. В теле человека массой 70 кг содержится 14 кг углерода, т.е. в год в нем распадается 5,63-ю11 атомов 14С (величина того же порядка, что и для атомов 4°К). Однако энергия при этом выделяется не такая большая. 14С, как и 4«К, претерпевает p-распад, но со значительно меньшей энергией — всего 0,156 МэВ. Общая доза от «внутреннего» облучения за счёт калия и углерода составляет 0,56 Зв (вклад ,4С 0,2 мЗв). Отметим, что мягкое излучение ,4С задерживается в тканях полностью, тогда как более энергичные частицы, испускаемые атомами 4°К, могут частично вылетать из тела.

В организм человека радиоуглерод поступает в форме различных органических и неорганических соединений, в основном в составе углеводов, белков и жиров. Аэрогенное поступление незначительно — \% от пищевого. Извлечение ИС из неорганических соединений (Na214C03, NaH14C03, К214СОч) характеризуется высокой интенсивностью: 14С обнару- живается в крови животных с первых минут поступления в организм, через 15 мин. его содержание достигает максимума — нескольких процентов от введённого количества. Образуя в крови непрочные бикарбонатные соединения, радиоутлерод быстро выводится. В органах и тканях накапливается незначительная часть введённого количества нуклида, причём распределяется он достаточно равномерно: накопление происходит сначала — в печени, почках, селезёнке, а затем — в скелетной и жировой ткани. При длительном поступлении нуклида, он медленно накапливается — от 1,7% на вторые сутки до 7,7% на 32-е от ежедневно вводимого количества в виде Na214C03. К концу месяца опытов устанавливается равновесное состояние между поступлением нуклида и его содержанием в организме крыс, при этом кратность накопления равна 0,07.

В случае органических соединений, обмен радиоутлерода зависит от типа его соединения, что сказывается на величинах формируемых доз внутреннего облучения. Особенности метаболизма различных соединений радиоуглерода сказываются на их токсичности.

Углерод-14 является изотопом основного биогенного элемента.

Радиоуглерод, участвуя в обменных процессах наряду с атомами стабильного утлерода, проникает во все органы и ткани организма, включаясь непосредственно в молекулы органических соединений.

Биологическое действие его связывают не только с радиационным воздействием р-частиц и атомов отдачи азота, но и трансмутациониыми эффектами, которые возникают при превращении атомов 14С в атомы 14N в результате p-распада. Особую опасность эти процессы могут приобрести при включении радиоуглерода в ДНК и РНК половых клеток, так как даже единичные акты его распада ведут к мутациям. Поэтому увеличение содержания изотопа 14С в биосфере может привести к накоплению мутаций, что чревато серьёзной утрозой для человечества.

Доза нужлида, вызывающая гибель 50% животных за 30 дн, равна 15 МБк/г массы тела.

Глобальному воздействию радионуклида — 14С — подвергаются все представители растительного и животного мира. Возможно, что в экосистемах существуют менее устойчивые к радиации объекты, чем человек, потому повышение концентрации радиоуглерода во внешней среде представляет не только гигиеническую, но и экологическую проблему. Отсутствие явных генетических последствий при облучении (3-частицами от естественного радиоуглерода связано с выработкой в ходе эволюции защитных механизмов, которые устраняют мутационные повреждения на разных стадиях развития организмов. Но с увеличением доз облучения эти механизмы могут оказаться недостаточно эффективными.

*4С характеризуется сравнительно невысокой токсичностью. Для установлены значения допустимых уровней, приведённые в таблице 5.

Табл. 5. Токсичность радиоуглерода.

Параметр

Категория А

Категория Б

ДСл, Бк

5,9 Ю6

-

ПДП, Бк/г

3.2-ю®

-

ДКл, Бк/л

1,ЗЮ2

-

ПГП, Бк/год, через органы дыхания

3,210?

Через желудочно-кишечный тракт

2,410?

ДКб

-

В атмосферном воздухе

-

4,4

В воде

ЗЮЮ'»

Здесь состояние радионуклида - растворимое, критический орган - жировая ткань.

14С относится к группе радиационной опасности Г, минимально значимая активность МЗА=з,7то6 Бк, ДКб - допустимая концентрация радионуклида в атмосферном воздухе или воде, ЖКТ - желудочно-кишечный тракт.

Неотложная помощь при отравлении 14С включает дезактивацию загрязнённой кожи водой с мылом или моющими порошками. Рвотные средства или промывание желудка обильным количеством воды с активированным углем.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >