Вуглець - найпоширеніший елемент на Землі. Він створює числові зв'язки, головним чином з водним і киснем. Відомі три ізотопи вуглецю: 12 C, 13 C і 14 C. Останній через його радіоактивні властивості в просторіччі є 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 один атомний номер і різне масове число. Переважна більшість елементів, які зустрічаються в природі, мають більше одного ізотопу. їх властивості можуть бути самими ефективними. Процентний вміст окремих ізотопів також істотно різниться. Елементарний вуглець має три ізотопи: 14 C, 13 C і 12 C. Найбільш розширеним є 12 C – понад 98%. У природі 13 З менше. З іншого боку, радіоактивний ізотоп вуглецю – 14 C зустрічається на Землі в найменшій кількості. Його джерелом є ядерна реакція 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, відбувається 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 залишається його половина.
Радіовуглецеве датування
Велика частина ізотопу вуглецю 14 C, яка 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 своєму місці, 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 океанічному воді. Концентрація ізотопу 14 С в атмосфері в кілька разів вище, ніж, наприклад, у глибині океану. Таким чином, він стає природним ізотопним індикатором. З допомогою можна відстежувати зміни, які відбуваються в природному середовищі. Одним із деяких компонентів ізотопу 14 C є так зване радіовуглецеве датування. Вуглекислий газ, що містить радіоактивний 14 С, проникає в усе живе – рослин і тварин. Організатори беруть участь у циклі радіовуглецевого обміну з біосферою. Тоді вміст ізотопу 14 С постійний. Це змінюється, коли організм гине. Коли організм гіне, він більше не поглинає вуглець 14 С, тому його кількість незначно зменшується. Розпад цього ізотопу відбувається зі швидкістю, яка має закон його розпаду (розпад 14 атомів З часом має вигляд експоненціальної функції). Наведене призначення стало основою для визначення віку археологічних знахідок, яке називається радіовуглецевим датуванням (або методом радіоактивного вуглецю). Порівняння вмісту 14 С і 12 С у мертвих органічних речовинах і в атмосфері дозволяє змінювати радіовуглецевий вік (час від смерті речовини до моменту вимірювання). Умовний радіовуглецевий вік шляхом порівняння вмісту обох ізотопів вуглецю в досліджуваній пробі та в сучасному біосферному стандарті.
Техніка AMS для вимірювання концентрації радіовуглецю, 14 С
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 паралельне вимірювання вмісту 13 C. У техніці АМС використовують прискорювальні мас-спектрометри. Різні компоненти цього приладу, такі як джерело іонів, прискорювач, аналізуючий магніт або електростатичний аналізатор, розташовані вздовж сторінки квадрата 5 х 5 м. Вони являють собою єдину високовакуумну камеру довжиною близько 15 метрів. Пристрій можна розділити на низькоенергетичну та високоенергетичну частину. Для розподілу 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 повертаються на аналізуючий магніт. Тоді 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.
