Вуглець - найпоширеніший елемент на Землі. Він створює численні зв'язки, головним чином з воднем і киснем. Відомі три ізотопи вуглецю: 12 C, 13 C і 14 C. Останній через його радіоактивні властивості в просторіччі називають радіовуглецем. Найважливішим його застосуванням є визначення віку геологічних утворень і археологічних об'єктів. Крім того, радіовуглець використовується для вивчення змін навколишнього середовища.
Радіоактивність ізотопу вуглецю 14 С
Ізотопи – це сукупність атомів одного елемента, які мають однаковий атомний номер і різне масове число. Переважна більшість елементів, що зустрічаються в природі, мають більше одного ізотопу. Їх властивості можуть бути самими різними. Процентний вміст окремих ізотопів також істотно різниться. Елементарний вуглець має три ізотопи: 14 C, 13 C і 12 C. Найбільш поширеним є 12 C – понад 98%. У природі 13 С набагато менше. З іншого боку, радіоактивний ізотоп вуглецю – 14 C зустрічається на Землі в найменшій кількості. Його джерелом є ядерні реакції теплових нейтронів (космічного походження) з ядрами азоту. Вони відбуваються в стратосфері. Ізотоп вуглецю 14 С розпадається спонтанно. Бета-розпад утворює нерадіоактивний азот 14 N, електрон і антинейтрино. З часом вміст радіоактивних ізотопів 14 С у матеріалі зменшується. Інтенсивність випромінювання, яке він створює, також зменшується. Час, через який вміст радіоактивного вуглецю зменшується вдвічі, визначається як період напіврозпаду (характеристика радіоактивних елементів). Для ізотопу вуглецю 14 С він становить 5730 років. Таким чином, через цей час від однієї порції радіоактивного 14 С залишається його половина.
Радіовуглецеве датування
Велика частина ізотопу вуглецю 14 C, який накопичується в атмосфері, окислюється з утворенням 14 CO. Коли ця форма реагує з гідроксильним радикалом (OH), вона далі окислюється до 14 CO 2 . Вуглекислий газ 14 CO 2 , у свою чергу, виділяється з атмосфери в біосферу і гідросферу (в результаті, наприклад, дифузії, розчинення, фотосинтезу). Радіовуглець 14 C входить до складу багатьох органічних сполук. Вони асимілюються в рослинах або розчиняються в океанічній воді. Концентрація ізотопу 14 С в атмосфері в кілька разів вище, ніж, наприклад, в глибинах океану. Таким чином, він стає природним ізотопним індикатором. З його допомогою можна відстежувати зміни, що відбуваються в природному середовищі. Одним із найважливіших застосувань ізотопу 14 C є так зване радіовуглецеве датування. Вуглекислий газ, що містить радіоактивний 14 С, проникає в усе живе – рослини і тварин. Організми беруть участь у циклі радіовуглецевого обміну з біосферою. Тоді вміст ізотопу 14 С постійний. Це змінюється, коли організм гине. Коли організм гине, він більше не поглинає вуглець 14 C, тому його кількість неухильно зменшується. Розпад цього ізотопу відбувається зі швидкістю, яка визначається законом його розпаду (розпад 14 атомів С з часом має вигляд експоненціальної функції). Наведене припущення стало основою для визначення віку археологічних знахідок, яке називається радіовуглецевим датуванням (або методом радіоактивного вуглецю). Порівняння співвідношення вмісту 14 С і 12 С в мертвій органічній речовині і в атмосфері дозволяє визначити радіовуглецевий вік (час від смерті організму до моменту вимірювання). Умовний радіовуглецевий вік визначається шляхом порівняння вмісту обох ізотопів вуглецю в досліджуваній пробі та в сучасному біосферному стандарті.
Техніка AMS для вимірювання концентрації радіовуглецю, 14 C
Вимірювання вмісту радіоактивного вуглецю 14 C у матеріалі є складним і вимагає спеціального обладнання, що робить весь процес дорогим. Техніка прискорювача, AMS, використовує той факт, що 14 C трохи важчий порівняно з 12 C (приблизно в 1,17 рази). Також проводиться паралельне вимірювання вмісту 13 C. У техніці АМС використовуються прискорювальні мас-спектрометри. Різні компоненти цього приладу, такі як джерело іонів, прискорювач, аналізуючий магніт або електростатичний аналізатор, розташовані вздовж сторін квадрата 5 х 5 м. Вони цілком являють собою єдину високовакуумну камеру довжиною близько 15 метрів. Пристрій можна розділити на низькоенергетичну та високоенергетичну частину. Щоб визначити співвідношення окремих ізотопів вуглецю, спектрометр AMS вимірює атоми 14 C, 13 C і 12 C, які виділяються з катода (виготовленого з досліджуваного матеріалу). Іони вуглецю (утворені в джерелі іонів) направляються в прискорювач. Там вони прискорюються і потрапляють на аналізуючий магніт. Потім вони знаходяться в дрейфовій камері, що дозволяє вимірювати електричний струм обох типів іонів. Нарешті, іони радіоактивного ізотопу вуглецю 14 C, пройшовши через електростатичний аналізатор, досягають детектора, який дозволяє їх підрахувати. Спектрометр AMS є надзвичайно передовим приладом. Усі частини апарату та поточні робочі параметри контролюються спеціальним програмним забезпеченням ПК і можуть управлятися з пульта.
