Cacbon-14

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Cacbon-14
Thông tin chung
Tên, kí hiệu Cacbon phóng xạ,14C
Nơtron 8
Proton 6
Dữ liệu hạt nhân
Phân bố tự nhiên 1 phần nghìn tỷ
Bán rã 5.730 ± 40 năm
Khối lượng đồng vị 14.003241 u
Spin 0+
Cơ chế phân rã Năng lượng phân rã
Beta 0.156476[1] MeV

Cacbon-14, 14C, hay cacbon phóng xạ, là một trong các đồng vị phóng xạ của nguyên tố cacbon với hạt nhân chứa 6 proton và 8 neutron. Sự có mặt của nó trong vật chất hữu cơ là cơ sở cho phương pháp xác định niên đại bằng cacbon phóng xạ do nhà hóa lý Willard Libby và cộng sự (1949) sử dụng nhằm xác định tuổi của các mẫu địa chất, thủy vănkhảo cổ học. Cacbon-14 do các nhà vật lý và hóa học Martin KamenSam Ruben phát hiện vào ngày 27 tháng 2 năm 1940 tại Phòng thí nghiệm Phóng xạ Đại học CaliforniaBerkeley, mặc dù sự tồn tại của nó đã được Franz Kurie dự đoán từ năm 1934.[2]

Có ba loại đồng vị của cacbon xuất hiện trong tự nhiên trên Trái Đất: 99% là cacbon-12, 1% là cacbon-13, và cacbon-14 xuất hiện với một lượng rất nhỏ, chiếm khoảng một phần nghìn tỷ (0,0000000001%) của cacbon trong khí quyển. Chu kỳ bán rã của cacbon-14 là 5.730±40 năm.[3] Cacbon-14 phân hạch thành nitơ-14 thông qua phân rã beta.[4] Nguồn chính trong tự nhiên của cacbon-14 trên Trái Đất là do tia vũ trụ bắn phá nitơ trong bầu khí quyển, và do đó các nhà khoa học còn gọi nó là nuclit vũ trụ. Tuy vậy, những vụ thử vũ khí hạt nhân trong khí quyển giai đoạn 1955–1980 cũng đóng góp một phần vào lượng này.

Các đồng vị khác nhau của cacbon có tính chất hóa học gần như nhau. Đặc tính này đã được áp dụng trong các nghiên cứu hóa học và sinh học với kỹ thuật đánh dấu cacbon: người ta sử dụng nguyên tử cacbon-14 nhằm thay thế đồng vị cacbon không phóng xạ nhằm theo dõi dấu vết các phản ứng hóa học và hóa sinh có sự tham gia của các nguyên tử cacbon trong bất kỳ một hợp chất hữu cơ nào.

Nguồn gốc và phân rã phóng xạ[sửa | sửa mã nguồn]

1: Sự hình thành của cacbon-14
2: Phân rã của cacbon-14
3: Phương trình "cân bằng" cho các cơ thể còn sống, và mất cân bằng cho các sinh vật đã chết, trong đó C-14 phân ra (xem 2).

Cacbon-14 sinh ra ở tầng đối lưutầng bình lưu do các nguyên tử nitơ hấp thụ các neutron nhiệt. Khi tia vũ trụ đi vào khí quyển, chúng va chạm với nhiều nguyên tử và xảy ra nhiều phản ứng hạt nhân với một trong các sản phẩm có neutron nhiệt. Những neutron (1n) tham gia vào các phản ứng chủ yếu sau:

1n + 14N → 14C + 1p

Tốc độ sản sinh cabon-14 diễn ra mạnh nhất ở độ cao 9 tới 15 km và ở nơi có vĩ độ từ lớn, sau đó cacbon-14 ngay lập tức hòa lẫn và phân tán trong toàn khí quyển nó phản ứng với ôxy để tạo ra cacbon điôxít phóng xạ. Cacbon điôxít hòa tan vào nước và thấm vào đại dương.

Cacbon-14 sau đó trải qua quá trình phân rã beta,

\mathrm{~^{14}_{6}C}\rightarrow\mathrm{~^{14}_{7}N}+ e^- + \bar{\nu}_e

Theo tương tác yếu, bằng phát ra một electron và một phản neutrino electron, một neutron trong hạt nhân cacbon-14 phân rã thành một proton và cacbon-14 (chu kỳ bán rã 5730 năm) biến thành đồng vị ổn định (không phóng xạ) nitơ-14.

Cacbon-14 ở trong sinh quyển Trái Đất vào khoảng 300 megacurie (11 EBq), và phần lớn chúng nằm trong đại dương.[5]

Cho đến 2008, người ta vẫn chưa biết tốc độ sản sinh cacbon-14 là bao nhiêu – trong khi phản ứng sản sinh có thể nghiên cứu bằng lý thuyết và mô hình hóa hoặc dựa trên chu trình cacbon để theo dõi, những cố gắng đo lượng sản sinh ra không phù hợp với giá trị tiên đoán của những mô hình này. Tốc độ sản sinh thay đổi bởi vì sự biến đổi của lưồng tia vũ trụ, như bắt nguồn từ supernovae, và do sự biến thiên của từ trường Trái Đất. Yếu tố từ trường có thể ảnh hưởng lớn đến tốc độ sản xuất cacbon-14, mặc dầu sự thay đổi trong chu trình cacbon cũng gây ảnh hưởng khó khăn tới kết quả dự đoán.[6]

Những nguồn cacbon-14 khác[sửa | sửa mã nguồn]

Cacbon-14 cũng được sinh ra từ những phản ứng hạt nhân khác có sự tham gia của neutron, bao gồm 13C(n,gamma)14C và 17O(n,alpha)14C với neutron nhiệt, và 15N(n,d)14C và 16O(n,3He)14C với neutron nhanh.[7]

Những lần phóng thích vật chất vành nhật hoa từ Mặt Trời cũng là một trong các nguyên nhân sản sinh ra cacbon-14. Gió Mặt Trời chứa những luồng hạt proton năng lượng cao va chạm vào khí quyển đã làm tăng lượng cacbon phóng xạ mà các nhà địa chất đã ghi nhận có sự tăng nồng độ trong vòng cây ở thực vật trong năm 774-775 sau Công nguyên.[8]

Định tuổi bằng cacbon phóng xạ[sửa | sửa mã nguồn]

Định tuổi bằng cacbon phóng xạ là phương pháp định tuổi bằng đồng vị phóng xạ sử dụng (14C) để xác định tuổi của vật liệu hay mẫu có chứa cacbon với độ tuổi lên tới 60.000 năm. Kỹ thuật này do nhà hóa lý Willard Libby và cộng sự phát minh năm 1949[9] trong khi ông là giáo sư tại Đại học Chicago. Libby ước lượng rằng sự phóng xạ trao đổi được của cacbon-14 là xấp xỉ 14 hạt nhân 14C phân hủy trên một phút (dpm) trên một gam chứa thuần túy cacbon, kết quả này vẫn còn sử dụng cho đến ngày nay và trở thành tiêu chuẩn xác định cacbon phóng xạ hiện đại.[10][11] Nhờ nghiên cứu này, Libby nhận Giải Nobel Hóa học năm 1960.

Một trong những kỹ thuật hay áp dụng là xác định niên đại của mẫu hữu cơ tồn tại ở các khu khảo cổ. Thực vật cố định cacbon trong khí quyển trong quá trình quang hợp do vậy mức 14C trong thực vậtđộng vật khi chúng chết xấp xỉ bằng mức 14C có trong khí quyển ở thời điểm đó. Tuy nhiên, lượng cacbon-14 sau đó giảm đi do quá trình phân rã, cho phép các nhà khảo cổ xác định được niên đại mà thực vật chết hoặc thời điểm nó cố định cacbon lần cuối. Mức 14C ban đầu dùng cho tính toán có thể ước lượng được, hoặc so sánh trực tiếp với dữ liệu đã biết theo chuỗi thời gian từ dữ liệu đếm vòng-cây (phương pháp xác định tuổi thọ của cây) lên tới 10.000 năm trở về trước (sử dụng các dữ liệu bổ sung từ các cây còn sống và đã chết xung quanh vùng đó), hoặc từ các hang trầm tích (speleothems), cho phép xác định niên đại tới 45.000 năm từ hiện tại. Kết quả tính toán hoặc (chính xác hơn) so sánh trực tiếp mức cacbon-14 trong mẫu khảo cổ với mức cacbon-14 của vòng cây hoặc của hang đá trầm tích đã biết tuổi, sẽ cho biết tuổi của mẫu gỗ hay xương lúc thực - động vật chết.

Hình thành trong các vụ thử hạt nhân[sửa | sửa mã nguồn]

Mức độ 14C ở New Zealand[12]Áo.[13] Đường cong của New Zealand đại diện cho bầu khí quyển bán cầu nam, đường cong của Áo đại diện cho bán cầu bắc. Các vụ thủ hạt nhân trong khí quyển đã làm tăng gấp đôi mật độ tập trung của 14C ở bán cầu bắc.[14]

Các vụ thử nghiệm hạt nhân trong bầu khí quyển do một số quốc gia thực hiện từ 1955 đến 1980 (xem danh sách) đã làm tăng một lượng đáng kể cacbon-14 trong khí quyển và hệ quả là cả sinh quyển; sau khi các nước ngừng các vụ thử nghiệm trên không, mức độ của đồng vị phóng xạ này bắt đầu giảm.

Một hiệu ứng bê lề của sự thay đổi cacbon-14 trong khí quyển đó là nó cho phép một số tùy chọn cho việc xác định năm sinh của một cá nhân, cụ thể là đo lượng cacbon-14 trong men răng,[15][16] hoặc lượng cacbon-14 tập trung trong thấu kính của mắt người đó.[17]

Số lượng[sửa | sửa mã nguồn]

Tổng số[sửa | sửa mã nguồn]

Lượng cacbon-14 trong sinh quyển Trái Đất vào khoảng 300 megacuries (11 EBq) với đa phần trong đại dương.[5]

Sự phân bố của cacbon-14 như sau:[18]

  • Toàn cầu: ~8500 PBq
    • Trong khí quyển: 140 PBq
    • Trong vật chất: cân bằng với khí quyển
  • Từ các vụ thử hạt nhân trong khí quyển (cho tới 1990): 220 PBq

Trong nhiên liệu hóa thạch[sửa | sửa mã nguồn]

Hầu hết các hóa chất nhân tạo sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch, như dầu mỏ hoặc than đá, mà trong những nhiên liệu này lượng cacbon-14 đã giảm từ lâu. Tuy vậy, những tầng trầm tích này thường chứa một lượng nhỏ cacbon-14 (với tỷ lệ biến thiên lớn, và có tỷ lệ lên tới 1% được tìm thấy trong cơ thể sống, một tỷ lệ sánh bằng với mẫu vật cách nay 40.000 năm).[19] Với tỷ lệ lớn như vậy có thể trong nhiên liệu hóa thạch xuất hiện một số vi khuẩn. Những nguồn bức xạ gây ra phản ứng 14N(n,p) 14C, bao gồm sự phân rã trực tiếp của uranium (mặc dầu tỷ lệ đo được của 14C/U trong quặng chứa uranium[20] cho thấy gần 1 nguyên tử uranium trên 2 nguyên tử cacbon để phù hợp với tỷ lệ đo được 14C/12C, đo theo bậc 10−15), hoặc những nguồn phụ khác có sản phầm cacbon-14. Sự xuất hiện của cacbon-14 trong dấu hiệu đồng vị của mẫu chứa cacbon ám chỉ rằng nó có chứa những thành phần có nguồn gốc từ sinh học hoặc sự phân rã của vật liệu phóng xạ xung quanh mẫu vật. Trong quá trình khảo sát nhằm xây dựng đài quan sát neutrino Mặt Trời Borexino, dầu nguyên liệu có chứa ít thành phần 14C. Ở bộ phận Thí nghiệm đếm Borexino, đã đo được tỷ lệ 14C/12C là 1,94×10−18;[21] và những nguyên nhân làm cho thay đổi tỷ lệ 14C trong các mỏ dầu, và tỷ lệ nhỏ 14C trong mỏ khí mêtan đã được thảo luận trong Bonvicini et al.[22]

Trong cơ thể người[sửa | sửa mã nguồn]

Do mọi nguồn thức ăn của con người đều xuất phát từ thực vật hay động vật, lượng cacbon trong cơ thể có chứa cacbon-14 sẽ bằng với mật độ của nó trong khí quyển. Tốc độ phân rã của Kali-40 và Cacbon-14 trong cơ thể một người lớn bình thường là đáng kể (khoảng hai, ba nghìn phân rã trên giây).[23] Phân rã beta từ cacbon phóng xạ bên ngoài (từ môi trường) đóng góp xấp xỉ 0,01 mSv/năm (1 mrem/năm) vào liều tương đương bức xạ ion ảnh hưởng vào một người.[24] Lượng tương đương này khá nhỏ so với liều lượng của Kali-40 (0,39 mSv/năm) và radon (biến đổi) mà một người phải chịu từ môi trường.

Cacbon-14 còn được dùng làm chất đánh dấu phóng xạ trong y học. Trong các thử nghiệm ban đầu về nồng độ Urê trong hơi thở, phục vụ cho chuẩn đoán Helicobacter pylori, urê được đánh dấu với khoảng 37 kBq (1,0 µCi) cacbon-14 khi đưa vào bệnh nhân (hay là 37.000 phân rã trên giây). Nếu bị nhiễm H. pylori, enzyme xúc tác từ vi khuẩn thủy phân urê thành amoniaccacbon điôxít đã được đánh dấu phóng xạ, và thiết bị đo phóng xạ sẽ phát hiện được qua hơi thở bệnh nhân.[25] Kiểm nghiệm hơi thở urê 14-C đã được thay thế bằng kiểm nghiệm urê 13-C với ưu điểm không cần tới tính phóng xạ của chất đánh dấu.

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Waptstra, A.H.; Audi, G. and Thibault, C. “AME atomic mass evaluation 2003”. Truy cập ngày 3 tháng 6 năm 2007. 
  2. ^ Kamen, Martin D. (1963). “Early History of Carbon-14: Discovery of this supremely important tracer was expected in the physical sense but not in the chemical sense”. Science 140 (3567): 584–590. Bibcode:1963Sci...140..584K. doi:10.1126/science.140.3567.584. PMID 17737092. 
  3. ^ Godwin, H (1962). “Half-life of radiocarbon”. Nature 195 (4845): 984. Bibcode:1962Natur.195..984G. doi:10.1038/195984a0. 
  4. ^ “What is carbon dating?”. National Ocean Sciences Accelerator Mass Spectrometry Facility. Truy cập ngày 11 tháng 6 năm 2007. 
  5. ^ a ă “Human Health Fact Sheet – Carbon 14”. Argonne National Laboratory, EVS. August năm 2005. 
  6. ^ Ramsey, C. Bronk (2008). “Radiocarbon Dating: Revolutions in Understanding”. Archaeometry 50 (2): 249–275. doi:10.1111/j.1475-4754.2008.00394.x. 
  7. ^ Davis W., Jr. (1977) "Carbon-14 production in nuclear reactors". ORNL/NUREG/TM-12. U.S. Nuclear Regulatory Commission.
  8. ^ Brian C. Thomas et al (2013). “Terrestrial effects of possible astrophysical sources of an AD 774-775 increase in 14-C production”. Geophysical Research Letters. doi:10.1002/grl.50222. 
  9. ^ Arnold, J. R. and Libby, W. F. (1949). “Age Determinations by Radiocarbon Content: Checks with Samples of Known Age,”. Science 110 (2869): 678–680. Bibcode:1949Sci...110..678A. doi:10.1126/science.110.2869.678. PMID 15407879. 
  10. ^ “Carbon 14:age calculation”. C14dating.com. Truy cập ngày 11 tháng 6 năm 2007. 
  11. ^ “Class notes for Isotope Hydrology EESC W 4886: Radiocarbon 14C”. Martin Stute's homepage at Columbia. Truy cập ngày 11 tháng 6 năm 2007. 
  12. ^ “Atmospheric δ14C record from Wellington”. Trends: A Compendium of Data on Global Change. Carbon Dioxide Information Analysis Center (Oak Ridge National Laboratory). 1994. Truy cập ngày 11 tháng 6 năm 2007. 
  13. ^ Levin, I., et al. (1994). “δ14C record from Vermunt”. Trends: A Compendium of Data on Global Change. Carbon Dioxide Information Analysis Center. 
  14. ^ “Radiocarbon dating”. University of Utrecht. Truy cập ngày 19 tháng 2 năm 2008. 
  15. ^ “Radiation in Teeth Can Help Date, ID Bodies, Experts Say”. National Geographic News. 22 tháng 9 năm 2005. 
  16. ^ Spalding KL, Buchholz BA, Bergman LE, Druid H, Frisen J. (15 tháng 9 năm 2005). “Forensics: age written in teeth by nuclear tests”. Nature 437 (7057): 333–4. Bibcode:2005Natur.437..333S. doi:10.1038/437333a. PMID 16163340. 
  17. ^ Lynnerup, Niels; Kjeldsen, Henrik; Heegaard, Steffen; Jacobsen, Christina; Heinemeier, Jan (2008). “Radiocarbon Dating of the Human Eye Lens Crystallines Reveal Proteins without Carbon Turnover throughout Life”. PLoS ONE 3 (1): e1529. doi:10.1371/journal.pone.0001529. PMC 2211393. PMID 18231610. 
  18. ^ G.R. Choppin, J.O.Liljenzin, J. Rydberg, "Radiochemistry and Nuclear Chemistry", 3rd edition, Butterworth-Heinemann, 2002. ISBN 978-0-7506-7463-8.
  19. ^ Lowe, David (1989). “Problems associated with the use of coal as a source of C14-free background material”. Radiocarbon 31 (2): 117–120. 
  20. ^ Jull, A.J.T.; Barker, D., Donahue, D. J. (1985). “Carbon-14 Abundances in Uranium Ores and Possible Spontaneous Exotic Emission from U-Series Nuclides”. Meteorics 20: 676. Bibcode:1985Metic..20..676J. 
  21. ^ Alimonti, G.; et al. (1998). “Measurement of the 14C abundance in a low-background liquid scintillator”. Physics Letters B 422 (1–4): 349–358. Bibcode:1998PhLB..422..349B. doi:10.1016/S0370-2693(97)01565-7. 
  22. ^ Bonvicini, G, Harris, N and Paolone, V, "The chemical history of 14C in deep oilfields", Aug 2003. (arΧiv:hep-ex/0308025)
  23. ^ THE RADIOACTIVITY OF THE NORMAL ADULT BODY. rerowland.com
  24. ^ NCRP Report No. 93 (1987). Ionizing Radiation Exposure of the Population of the United States. National Council on Radiation Protection and Measurements.  (excerpt)
  25. ^ “Society of Nuclear Medicine Procedure Guideline for C-14 Urea Breath Test” (PDF). snm.org. 23 tháng 6 năm 2001. Truy cập ngày 4 tháng 7 năm 2007.