Изотопы углерода

Изотопы углерода ( _6С )
Стандартный атомный вес A r °(C)
	[12.0096 , 12.0116 ] ; 12,011 ± 0,002 ( сокращенно ) ;
	вид; разговаривать; редактировать;

Углерод ( _6С ) имеет 14 известных изотопов , из⁸
С
к²⁰
С
а также²²
С
, из которых¹²
С
и¹³
С
стабильны . Самый долгоживущий радиоизотоп -¹⁴
С
, с периодом полураспада5,70(3) × 10 ³ лет. Это также единственный радиоизотоп углерода, обнаруженный в природе, поскольку следовые количества образуются космогенно в результате реакции¹⁴
Н
+
н
→¹⁴
С
+¹
ЧАС
. Самый стабильный искусственный радиоизотоп - это¹¹
С
, период полураспада которого составляет20.3402(53) мин . Все остальные радиоизотопы имеют период полураспада менее 20 секунд, большинство менее 200 миллисекунд. Наименее стабильный изотоп —⁸
С
, с периодом полураспада3,5(1,4) × 10−21 ^с . Легкие изотопы имеют тенденцию распадаться на изотопы бора , а тяжелые — на изотопы азота .

Список изотопов

Нуклид	З	Н	Изотопная масса ( Да ) ^[3]^{[n 1]}	Период полураспада ^[4] [ ширина резонанса ]	Режим распада ^[4] ^{[n 2]}	Дочерний изотоп ^{[n 3]}	Спин и четность ^[4] ^{[n 4]}^{[n 5]}	Природная распространенность (мольная доля)
Нуклид	З	Н	Изотопная масса ( Да ) ^[3]^{[n 1]}	Период полураспада ^[4] [ ширина резонанса ]	Режим распада ^[4] ^{[n 2]}	Дочерний изотоп ^{[n 3]}	Спин и четность ^[4] ^{[n 4]}^{[n 5]}	Нормальная пропорция ^[4]	Диапазон вариаций
⁸ С	6	2	8.037 643 (20)	3,5(1,4) зс [230(50) кэВ ]	2п	⁶ Быть ^{[н 6]}	0+
⁹ С	6	3	9.031 0372 (23)	126,5(9) мс	β ⁺ (54,1(1,7)% )	⁹ Б	3/2−
					β ⁺ α (38,4(1,6)% )	⁵ Ли ^{[н 7]}
					β ⁺ р (7.5(6)% )	⁸ Быть ^{[н 8]}
¹⁰ С	6	4	10.016 853 22 (8)	19.3011(15) с	β ⁺	¹⁰ Б	0+
¹¹ С ^{[н 9]}	6	5	11.011 432 60 (6)	20.3402(53) мин	β ⁺	¹¹ Б	3/2−
^11м С	12 160 (40) кэВ				п ? ^{[н 10]}	¹⁰ Б ?	1/2+
¹² С	6	6	12 точно ^{[н 11]}	Стабильный			0+	[0,9884 ,0,9904 ] ^[5]
¹³ С ^{[н 12]}	6	7	13.003 354 835 336 (252)	Стабильный			1/2−	[0,0096 ,0,0116 ] ^[5]
¹⁴ С ^{[н 13]}	6	8	14.003 241 989 (4)	5,70(3) × 10 ³ лет	β ⁻	¹⁴ Н	0+	След ^{[n 14]}	< 10 ⁻¹²
^14м С	22 100 (100) кэВ				ЭТО	¹⁴ С	(2−)
¹⁵ С	6	9	15.010 5993 (9)	2.449(5) с	β ⁻	¹⁵ Н	1/2+
¹⁶ С	6	10	16.014 701 (4)	750(6) мс	β ⁻n (99.0(3)% )	¹⁵ Н	0+
¹⁶ С	6	10	16.014 701 (4)	750(6) мс	β ⁻ (1.0(3)% )	¹⁶ Н	0+
¹⁷ С	6	11	17.022 579 (19)	193(6) мс	β ⁻ (71,6(1,3)% )	¹⁷ Н	3/2+
					β ⁻ n (28,4(1,3)% )	¹⁶ Н
					β ⁻ 2n ? ^{[n 10]}	¹⁵ Н ?
¹⁸ С	6	12	18.026 75 (3)	92(2) мс	β ⁻ (68,5(1,5)% )	¹⁸ Н	0+
					β ⁻ n (31,5(1,5)% )	¹⁷ Н
					β ⁻ 2n ? ^{[n 10]}	¹⁶ Н ?
¹⁹ С ^{[н 15]}	6	13	19.034 80 (11)	46,2(2,3) мс	β ⁻ n (47(3)% )	¹⁸ Н	1/2+
					β ⁻ (46,0(4,2)% )	¹⁹ Н
					β ⁻ 2n (7(3)% )	¹⁷ Н
²⁰ С	6	14	20.040 26 (25)	16(3) мс	β ⁻ n (70(11)% )	¹⁹ Н	0+
					β ⁻ 2n (<18,6% )	¹⁸ Н
					β ⁻ (>11,4% )	²⁰ Н
²² С ^{[н 16]}	6	16	22.057 55 (25)	6,2(1,3) мс	β ⁻ n (61(14)% )	²¹ Н	0+
					β ⁻ 2n (<37% )	²⁰ Н
					β ⁻ (>2% )	²² Н
Заголовок и нижний колонтитул этой таблицы: вид

^ ( ) – Неопределенность (1 σ ) приводится в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
^ Способы распада:
ЕС: Захват электронов

н: Нейтронное излучение
р: Эмиссия протонов
^ Жирный символ как дочерний – Дочерний продукт стабилен.
^ ( ) значение спина – указывает спин со слабыми аргументами присваивания.
^ # – Значения, отмеченные #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из тенденций соседних нуклидов (TNN).
^ Затем распадается с испусканием двойного протона на⁴
Он
для чистой реакции⁸
С
→⁴
Он
+ 4¹
ЧАС
^ Немедленно распадается путем испускания протонов на⁴
Он
для чистой реакции⁹
С
→ 2 ⁴
Он
+¹
ЧАС
+
е⁺
^ Сразу распадается на два⁴
Он
атомы для чистой реакции⁹
С
→ 2 ⁴
Он
+¹
ЧАС
+
е⁺
^ Используется для маркировки молекул при ПЭТ-сканировании.
^ abc Показанный режим распада энергетически разрешен, но его возникновение в этом нуклиде экспериментально не наблюдалось.
^ Единая атомная единица массы определяется как 1/12 массы несвязанного атома углерода-12 в его основном состоянии.
^ Соотношение ¹² C к ¹³ C использовалось для измерения биологической продуктивности в древние времена и различных типов фотосинтеза.
^ Имеет важное применение в радиодатировании (см. радиоуглеродное датирование ).
^ В первую очередь космогенные , производимые нейтронами, ударяющими атомы¹⁴
Н
(¹⁴
Н
+
н
→¹⁴
С
+¹
ЧАС
)
^ Имеет 1 гало нейтрона
^ Имеет 2 гало нейтронов

Углерод-11

Углерод-11 или¹¹
С
радиоактивный изотоп углерода , который распадается на бор-11 . Этот распад в основном происходит из-за эмиссии позитронов , около 0,19–0,23% распадов вместо этого происходят из-за захвата электронов . ^[6]^[7] Он имеет период полураспада20,3402(53) мин .

¹¹
С
→¹¹
Б
+
е⁺
+
ν
_е+0,96 МэВ

¹¹
С
+
е⁻
→¹¹
Б
+
ν
_е+1,98 МэВ

Он производится путем удара азота протонами с энергией около 16,5 МэВ в циклотроне . Вызывает эндотермическую реакцию ^[8]^[9]

¹⁴
Н
+
п
→¹¹
С
+⁴
Он
− 2,92 МэВ

Его также можно получить путем фрагментации¹²
С
стреляя высокоэнергетическими¹²
С
в цель. ^[10]

Углерод-11 обычно используется в качестве радиоизотопа для радиоактивной маркировки молекул в позитронно-эмиссионной томографии . Среди многих молекул, используемых в этом контексте, есть радиолиганды [¹¹
С
]DASB и [¹¹
С
]Cimbi-5 .

Природные изотопы

В природе существует три изотопа углерода: 12, 13 и 14.¹²
С
и¹³
С
стабильны и встречаются в естественной пропорции приблизительно 93:1 .¹⁴
С
производится тепловыми нейтронами из космического излучения в верхних слоях атмосферы и переносится на землю, где поглощается живым биологическим материалом. Изотопно,¹⁴
С
составляет незначительную часть; но, поскольку он радиоактивен с периодом полураспада5,70(3) × 10 ³ лет, это радиометрически обнаруживается. Поскольку мертвая ткань не поглощает¹⁴
С
, количество¹⁴
С
один из методов, используемых в области археологии для радиометрического датирования биологического материала.

Палеоклимат

¹²
С
и¹³
С
измеряются как изотопное отношение δ ¹³ C в бентосных фораминиферах и используются в качестве показателя круговорота питательных веществ и температурно-зависимого обмена CO ₂ между воздухом и морем (вентиляция). ^[11] Растениям легче использовать более легкие изотопы (¹²
С
) когда они преобразуют солнечный свет и углекислый газ в пищу. Например, большие скопления планктона (свободно плавающие организмы) поглощают большие объемы¹²
С
из океанов. Первоначально,¹²
С
в основном был включен в морскую воду из атмосферы. Если океаны, в которых живет планктон, стратифицированы (то есть есть слои теплой воды наверху и более холодной воды глубже), то поверхностная вода не очень хорошо смешивается с более глубокими водами, так что когда планктон умирает, он тонет и уносит¹²
С
с поверхности, оставляя поверхностные слои относительно богатыми¹³
С
. Там, где холодные воды поднимаются из глубин (например, в Северной Атлантике ), вода несет¹²
С
Вернитесь к этому; когда океан был менее стратифицирован, чем сегодня, там было гораздо больше¹²
С
в скелетах видов, обитающих на поверхности. Другие индикаторы прошлого климата включают присутствие тропических видов и колец роста кораллов. ^[12]

Отслеживание источников пищи и рационов питания

Количество различных изотопов можно измерить с помощью масс-спектрометрии и сравнить со стандартом ; результат (например, дельта¹³
С
= δ¹³
С
) выражается в частях на тысячу (‰) отклонения от соотношения стандарта: ^[13]

\delta {\ce {^{13}C}}=\left({\frac {\left({\frac {{\ce {^{13}C}}}{{\ce {^{12}C}}}}\right)_{\text{образец}}}{\left({\frac {{\ce {^{13}C}}}{{\ce {^{12}C}}}}\right)_{\text{стандарт}}}}-1\right)\times 1000

‰

Обычный стандарт — Peedee Belemnite , сокращенно «PDB», ископаемый белемнит . Из-за нехватки оригинального образца PDB сегодня обычно используется искусственный «виртуальный PDB», или «VPDB». ^[14]

Стабильные изотопы углерода в углекислом газе используются растениями по-разному в процессе фотосинтеза . ^{[ требуется ссылка ]} Травы в умеренном климате ( ячмень , рис , пшеница , рожь и овес , а также подсолнечник , картофель , томаты , арахис , хлопок , сахарная свекла и большинство деревьев и их орехи или фрукты, розы и мятлик луговой ) следуют фотосинтетическому пути C3 , который дает значения δ13C ^в среднем около −26,5‰. ^{[ требуется ссылка ]} Травы в жарком засушливом климате ( в частности, кукуруза , а также просо , сорго , сахарный тростник и росичка ) следуют фотосинтетическому пути C4 , который дает значения δ13C ^в среднем около −12,5‰. ^[15]

Из этого следует, что употребление в пищу этих различных растений повлияет на значения δ ¹³ C в тканях тела потребителя. Если животное (или человек) ест только растения C3, их значения δ ¹³ C будут от −18,5 до −22,0‰ в их костном коллагене и −14,5‰ в гидроксилапатите их зубов и костей. ^[16]

Напротив, у питающихся C4 будет значение костного коллагена -7,5‰ и значение гидроксиапатита -0,5‰.

В реальных исследованиях поедателей проса и кукурузы можно легко отличить от поедателей риса и пшеницы. Изучение того, как эти диетические предпочтения распределяются географически с течением времени, может пролить свет на пути миграции людей и пути распространения различных сельскохозяйственных культур. Однако человеческие группы часто смешивали растения C3 и C4 (северные китайцы исторически питались пшеницей и просом) или смешивали группы растений и животных вместе (например, юго-восточные китайцы питались рисом и рыбой). ^[17]

Смотрите также

Ссылки

^ «Стандартные атомные веса: углерод». CIAAW . 2009.
^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (2022-05-04). "Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)". Чистая и прикладная химия . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN 1365-3075.
^ Ван, Мэн; Хуан, ВДж; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки*». Chinese Physics C. 45 ( 3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
^ abcd Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "Оценка ядерных свойств NUBASE2020" (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
^ ab "Атомный вес углерода". CIAAW .
^ Скоби, Дж.; Льюис, ГМ (1 сентября 1957 г.). «K-capture in carbon 11». Philosophical Magazine . 2 (21): 1089–1099. Bibcode : 1957PMag....2.1089S. doi : 10.1080/14786435708242737.
^ Кэмпбелл, Дж. Л.; Лейпер, В.; Ледингем, К. В. Д.; Древер, Р. В. П. (1967-04-11). «Отношение K-захвата к испусканию позитрона при распаде ¹¹ C». Nuclear Physics A. 96 ( 2): 279–287. Bibcode : 1967NuPhA..96..279C. doi : 10.1016/0375-9474(67)90712-9.
^ «Производство и преобразование углерода-11». Энциклопедия научного сообщества .
^ Lu, Shuiyu; et al. (18 января 2024 г.). «Превращения газовой фазы в химии углерода-11». Int. J. Mol. Sci . 25 (2): 1167. doi : 10.3390/ijms25021167 . PMC 10816134. PMID 38256240 .
^ Дарья Босколо и др. (Сентябрь 2024 г.). «Первое лечение опухоли мыши под контролем изображений с помощью радиоактивных ионных пучков». arXiv : 2409.14898 .
^ Линч-Стиглиц, Джин; Стокер, Томас Ф.; Брокер, Уоллес С.; Фэрбенкс, Ричард Г. (1995). «Влияние обмена воздух-море на изотопный состав океанического углерода: наблюдения и моделирование». Глобальные биогеохимические циклы . 9 (4): 653–665. Bibcode : 1995GBioC...9..653L. doi : 10.1029/95GB02574. S2CID 129194624.
^ Тим Флэннери Создатели погоды: история и будущее изменения климата , The Text Publishing Company, Мельбурн, Австралия. ISBN 1-920885-84-6
^ Миллер, Чарльз Б.; Уилер, Патрисия (2012). Биологическая океанография (2-е изд.). Чичестер, Западный Сассекс: John Wiley & Sons, Ltd. стр. 186. ISBN 9781444333022. OCLC 794619582.
^ Фор, Гюнтер; Менсинг, Тереза М. (2005). "27 Carbon". Изотопы: принципы и применение (третье изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley. ISBN 978-81-265-3837-9.
^ O'Leary, Marion H. (май 1988 г.). «Изотопы углерода в фотосинтезе» (PDF) . BioScience . 38 (5): 328–336. doi :10.2307/1310735. JSTOR 1310735. S2CID 29110460 . Получено 17 ноября 2022 г. .
^ Tycot, RH (2004). M. Martini; M. Milazzo; M. Piacentini (ред.). "Стабильные изотопы и диета: вы то, что вы едите" (PDF) . Труды Международной школы физики "Энрико Ферми" Курс CLIV .
^ Ричард, Хеджес (2006). «Откуда берется наш белок?». British Journal of Nutrition . 95 (6): 1031–2. doi : 10.1079/bjn20061782 . PMID 16768822.

[4] ( ) – Неопределенность (1 σ ) приводится в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.

[6] Способы распада:
ЕС: Захват электронов

н: Нейтронное излучение
р: Эмиссия протонов

[7] Жирный символ как дочерний – Дочерний продукт стабилен.

[8] ( ) значение спина – указывает спин со слабыми аргументами присваивания.

[TNN-9] # – Значения, отмеченные #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из тенденций соседних нуклидов (TNN).

[10] Затем распадается с испусканием двойного протона на⁴
Он
для чистой реакции⁸
С
→⁴
Он
+ 4¹
ЧАС

[11] Немедленно распадается путем испускания протонов на⁴
Он
для чистой реакции⁹
С
→ 2 ⁴
Он
+¹
ЧАС
+
е⁺

[12] Сразу распадается на два⁴
Он
атомы для чистой реакции⁹
С
→ 2 ⁴
Он
+¹
ЧАС
+
е⁺

[13] Используется для маркировки молекул при ПЭТ-сканировании.

[decay_mode_1-14] Показанный режим распада энергетически разрешен, но его возникновение в этом нуклиде экспериментально не наблюдалось.

[15] Единая атомная единица массы определяется как 1/12 массы несвязанного атома углерода-12 в его основном состоянии.

[17] Соотношение ¹² C к ¹³ C использовалось для измерения биологической продуктивности в древние времена и различных типов фотосинтеза.

[18] Имеет важное применение в радиодатировании (см. радиоуглеродное датирование ).

[19] В первую очередь космогенные , производимые нейтронами, ударяющими атомы¹⁴
Н
(¹⁴
Н
+
н
→¹⁴
С
+¹
ЧАС
)

[20] Имеет 1 гало нейтрона

[21] Имеет 2 гало нейтронов

[1] «Стандартные атомные веса: углерод». CIAAW . 2009.

[CIAAW2021-2] Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (2022-05-04). "Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)". Чистая и прикладная химия . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN 1365-3075.

[AME2020_II-3] Ван, Мэн; Хуан, ВДж; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки*». Chinese Physics C. 45 ( 3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.

[NUBASE2020-5] Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "Оценка ядерных свойств NUBASE2020" (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.

[Atomic_Weight_of_Carbon-16] "Атомный вес углерода". CIAAW .

[11C-Scobie-22] Скоби, Дж.; Льюис, ГМ (1 сентября 1957 г.). «K-capture in carbon 11». Philosophical Magazine . 2 (21): 1089–1099. Bibcode : 1957PMag....2.1089S. doi : 10.1080/14786435708242737.

[11C-Campbell-23] Кэмпбелл, Дж. Л.; Лейпер, В.; Ледингем, К. В. Д.; Древер, Р. В. П. (1967-04-11). «Отношение K-захвата к испусканию позитрона при распаде ¹¹ C». Nuclear Physics A. 96 ( 2): 279–287. Bibcode : 1967NuPhA..96..279C. doi : 10.1016/0375-9474(67)90712-9.

[24] «Производство и преобразование углерода-11». Энциклопедия научного сообщества .

[25] Lu, Shuiyu; et al. (18 января 2024 г.). «Превращения газовой фазы в химии углерода-11». Int. J. Mol. Sci . 25 (2): 1167. doi : 10.3390/ijms25021167 . PMC 10816134. PMID 38256240 .

[26] Дарья Босколо и др. (Сентябрь 2024 г.). «Первое лечение опухоли мыши под контролем изображений с помощью радиоактивных ионных пучков». arXiv : 2409.14898 .

[27] Линч-Стиглиц, Джин; Стокер, Томас Ф.; Брокер, Уоллес С.; Фэрбенкс, Ричард Г. (1995). «Влияние обмена воздух-море на изотопный состав океанического углерода: наблюдения и моделирование». Глобальные биогеохимические циклы . 9 (4): 653–665. Bibcode : 1995GBioC...9..653L. doi : 10.1029/95GB02574. S2CID 129194624.

[C-Flannery-28] Тим Флэннери Создатели погоды: история и будущее изменения климата , The Text Publishing Company, Мельбурн, Австралия. ISBN 1-920885-84-6

[C-Miller-29] Миллер, Чарльз Б.; Уилер, Патрисия (2012). Биологическая океанография (2-е изд.). Чичестер, Западный Сассекс: John Wiley & Sons, Ltd. стр. 186. ISBN 9781444333022. OCLC 794619582.

[Faure-30] Фор, Гюнтер; Менсинг, Тереза М. (2005). "27 Carbon". Изотопы: принципы и применение (третье изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley. ISBN 978-81-265-3837-9.

[Oleary98-31] O'Leary, Marion H. (май 1988 г.). «Изотопы углерода в фотосинтезе» (PDF) . BioScience . 38 (5): 328–336. doi :10.2307/1310735. JSTOR 1310735. S2CID 29110460 . Получено 17 ноября 2022 г. .

[C-Tycot-32] Tycot, RH (2004). M. Martini; M. Milazzo; M. Piacentini (ред.). "Стабильные изотопы и диета: вы то, что вы едите" (PDF) . Труды Международной школы физики "Энрико Ферми" Курс CLIV .

[C-Richard-33] Ричард, Хеджес (2006). «Откуда берется наш белок?». British Journal of Nutrition . 95 (6): 1031–2. doi : 10.1079/bjn20061782 . PMID 16768822.

ЕС:	Захват электронов
н:	Нейтронное излучение
р:	Эмиссия протонов