Углерод-14. Атомная и ядерная физика: радиоактивность и ионизирующие излучения

Природный углерод, который в основном состоит из стабильного изотопа ¹²С, содержит ~1% стабильного изотопа *ЗС и ничтожное количество (Ю'^{, 0}%) радиоактивного изотопа ^{, 4}С. 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 ^{, 4}С используется в биологии и медицине очень широко, в химии он применяется в методе радиоактивных индикаторов.

Углерод-14,¹⁴С (радиоуглерод), 14,3 241 989, избыток массы 3019*893 ^КВ, удельная энергия связи на нуклон 7520,319 кэВ, Т=5,70(3) 10^я л, р-распад, энергия распада 0,136 476 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 ^{, 4}С должен быть использован массспектрометр.

Радионуклид ¹⁴С получают облучением нейтронами нитрида алюминия по реакции:

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

Всё обилие ^{, 4}С-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 ^{, 4}С 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 знсоединения.

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 ^{, 4}N даёт ю расп./мин на 1 г углерода, находящийся в равновесии с атмосферным С0₂.

Роль других реакций — ‘sN (n, а)^{, 4}С; ^1б0(р, 3р)^{, 4}С; ¹⁷0(п, а)¹⁴С; *зС (л, у) ¹⁴С — в образовании природного ^{, 4}С 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 ^{, 4}С.

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 ^{, 4}С 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: ^{, 4}N (n, p)^{, 4}C; '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 ^{, 4}С0₂, 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 ^{, 2}С). 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 ^{, 4}С 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 ^{, 4}С 0,2 мЗв). Отметим, что мягкое излучение ^{, 4}С 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, К₂¹⁴СО_ч) характеризуется высокой интенсивностью: ¹⁴С обнаруживается 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.

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.