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| − | [[File:碳14 1.jpg | thumb | 500px | 右 | 碳-14衰变周期 <br> [https://p1.ssl.qhmsg.com/dr/270_500_/t019957dccbdf86f431.jpg?size=268x191 原圖鏈接] ]] | + | <p style="text-indent:2em;">[[File:碳14 1.jpg | thumb | 500px | 右 | 碳-14衰变周期 <br> [https://p1.ssl.qhmsg.com/dr/270_500_/t019957dccbdf86f431.jpg?size=268x191 原圖鏈接] ]] |
| − | + | <p style="text-indent:2em;">'''<big>碳-14</big>''' 是碳元素的一种具[[ 放射性]] 的同位素，它是透过[[ 宇宙]] 射线撞击空气中的[[ 氮原子]] 所产生。碳-14原子核由6个质子和8个中子组成。其半衰期约为5,730±40年，衰变方式为β衰变，碳14原子转变为氮-14原子。自然界中碳元素有三种同位素，即稳定同位素12C、13C和放射性同位素14C。 14C的半衰期为5730年，14C的应用主要有两个方面：一是在考古学中测定生物死亡年代，即放射性测定年代法 的一种，其他常用的还有钾-氩法测定，钾-氩法测定，热释光测定等；二是以14C标记化合物为示踪剂，探索化学和生命科学中的微观运动。在地球上有99%的碳以碳-12的形式存在，有大约1%的碳以碳-13的形式存在，只有兆分之一（0.0000000001%）是碳-14，存在于大气中，由大气中氮与宇宙射线作用生成，其丰度基本保持不变，是生物圈中碳-14的来源。 | |
== 发现 == | == 发现 == | ||
| − | + | <p style="text-indent:2em;"> 碳-14最早由加州大学伯克利分校放射性实验室的马丁 • 卡门（Martin Kamen）和塞缪尔 • 鲁宾（Sam Rubin）于1940年2月27日发现的。1949年碳-14测年方法的祖师爷Willard Libby和Arnold完成了已知年龄的考古和地质样品的测定，宣告14C测年方法的创建成功，轰动了整个考古学界和地质学界。Libby也因此在1960年获得了诺贝尔奖。 | |
<ref>[http://www.ieexa.cas.cn/kxcb/kpwz/201804/t20180409_4993307.html 自然界的“标准时钟”：碳十四，中国科学院地球环境研究所 2018-04-09 ] </ref> | <ref>[http://www.ieexa.cas.cn/kxcb/kpwz/201804/t20180409_4993307.html 自然界的“标准时钟”：碳十四，中国科学院地球环境研究所 2018-04-09 ] </ref> | ||
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== 由来 == | == 由来 == | ||
[[File:碳14.jpg | thumb | 300px | 左 | 碳14 <br> [https://epaper.gmw.cn/gmrb/images/2012-11/27/12/res10_attpic_brief.jpg 原圖鏈接] ]] | [[File:碳14.jpg | thumb | 300px | 左 | 碳14 <br> [https://epaper.gmw.cn/gmrb/images/2012-11/27/12/res10_attpic_brief.jpg 原圖鏈接] ]] | ||
| − | + | <p style="text-indent:2em;"> 碳有三种自然同位素，其中碳-14具有放射性稍微特别一点，它存在于自然界中所有的生物体中，说到碳，我们第一个想到的就是地球上充满多样性的生命形式，我们所知的每一种生物都由四种基本元素构成：[[ 碳]] 、[[ 氮]] 、[[ 氧]] 、[[ 氢]] 。但是碳是最重要、也是最特别的元素，它是有机分子的基础，是生命体的基石。 | |
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| + | <p style="text-indent:2em;"> 从钻石到纳米管再到DNA，碳对于构造最复杂的结构必不可少。地球上大部分的碳都来自于上一代恒星死亡时的超新星爆发，目前绝大多数以碳-12的形式存在，也就是原子核中有6个中子。在碳的总量中1.1%是以碳-13的形式存在，原子核中多了一个中子。虽然碳-13也很稳定，但在恒星中碳-13形成的频率要比碳-12低得多，所以碳-12不仅在地球上是碳的主要形式，而且在我们可观察宇宙的任何地方都应该是这个样子，这一点并不奇怪，因为走到哪物理定律都是一样的，恒星也以同样的方式聚变。 | ||
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| + | <p style="text-indent:2em;"> 还有另外一种形式的碳它就是碳14，原子核中有8个中子的碳原子，碳-14非常罕见而且原子核本身也不稳定会发生衰变，在地球上的碳总量中只有1 /万亿的碳原子是碳-14。数十亿年前在恒星中形成的碳-14原子的半衰期为5700年，地球目前已经存在了45亿年，所以古老的恒星赋予我们的碳-14早已衰变为氮原子了。那么地球上现在的碳-14咋来的当一个原子的中子数与原子核中的质子数不匹配时，多出来的中子就觉得自己有点多余，于是原子核通常会发生以下两种方式的衰变： | ||
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一种是α衰变，即原子核发射一个氦-4原子核（两个质子和两个中子） | 一种是α衰变，即原子核发射一个氦-4原子核（两个质子和两个中子） | ||
另一种是β衰变，即原子核中的一个中子通过发射一个电子、一个反电子中微子转变为质子。 | 另一种是β衰变，即原子核中的一个中子通过发射一个电子、一个反电子中微子转变为质子。 | ||
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| + | <p style="text-indent:2em;"> 所以在碳-14中多出来一个中子，就会经历β衰变，半衰期为5700年，衰变后的碳-14会变为氮原子，衰变过程中的重子数是守恒的。在所有的有机生命体中，当然也包括我们自己的身体，甚至是海洋中的生物体内，都存在着少量、但含量稳定的碳-14。<ref>[https://baijiahao.baidu.com/s?id=1644482501449483906&wfr=spider&for=pc 碳-14是咋来的？它如何跑进我们身体，帮助我们测定年代的，量子科学论 2019-09-12] </ref> | ||
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== 应用领域 == | == 应用领域 == | ||
| − | 碳-14呼气试验 | + | === 碳-14呼气试验 === |
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| − | 标记化合物 | + | <p style="text-indent:2em;">幽门螺杆菌（Hp）可引起多种胃病，包括[[胃炎]]、[[胃溃疡]]、[[十二指肠溃疡]]、非溃疡性消化不良、[[胃癌]]等。因此，根除幽门螺杆菌已经成为现代消化道疾病治疗的重要措施。 |
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| + | <p style="text-indent:2em;">[[幽门螺杆菌]]可产生高活性的尿素酶。当病人服用碳14标记的尿素后，如患者的胃内存在Hp感染，胃中的尿素酶可将尿素分解为氨和碳14标记的CO2，碳14标记的CO2通过血液经呼气排出，定时收集呼出的气体，通过分析呼气中碳14标记的CO2的含量即可判断患者是否存在幽门螺杆菌感染。 | ||
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| + | <p style="text-indent:2em;">相比于传统的胃镜检查，该法简单、高效、准确率高，减轻了病人的身体和精神负担。 | ||
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| + | === 标记化合物 === | ||
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| + | <p style="text-indent:2em;"> 碳-14标记化合物广泛应用于[[ 化学]] 、[[ 生物学]] 、[[ 医学领域]] 中，采用放射性标记化合物进行示踪，具有方法简单、易于追踪、准确性和灵敏性高等特点。 [8] | ||
| − | 利用碳-14测定年代 | + | === 利用碳-14测定年代 === |
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| − | + | <p style="text-indent:2em;">宇宙射线中的中子与大气中的大量存在 的 稳定核素氮14发生N(n,p)C反 应 能够产生碳14，而碳14又会发生半衰期T=5730年的β衰变变成氮14，由此构建一 个 核素平衡。碳14与氧气反应生成的二氧化碳被生物圈接收，活体生物体内的碳14与碳12浓度比例是 一 定【经 测定 ，碳14的同位素丰度为1.2×10^(-12)】的，只有当 生物死亡 后，碳循环中断，碳14逐渐衰变至没有。在化石标本中采样测量碳-14的丰度，与1.2×10^(-12)比较 ，即 可计算出生 物生 活 的 年代 。 | |
| + | <p style="text-indent:2em;">14C的应用主要有两个方面：一是在考古学中测定生物死亡年代，即放射性测年法；二是以14C标记化合物为示踪剂，探索化学和生命科学中的微观运动。 | ||
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| + | <p style="text-indent:2em;"> 宇宙射线中的中子与大气中的大量存在的稳定核素氮-14发生N(n,p)C反应能够产生碳-14，而碳-14又会发生半衰期T=5730年的β衰变变成氮-14，由此构建一个核素平衡。碳-14与氧气反应生成的二氧化碳被生物圈接收，活体生物体内的碳-14与碳-12浓度比例是一定【经测定，碳-14的同位素丰度为1.2×10^(-12)】的，只有当生物死亡后，碳循环中断，碳-14逐渐衰变至没有。在化石标本中采样测量碳-14的丰度，与1.2×10^(-12)比较，即可计算出生物生活的年代。多数和铀钍测年对同一批样品交叉使用 | ||
比如：一个化石样品含有碳-14的丰度是4.3×10^(-13)，则可计算出该化石活体生活的年代距今t=ln(No/N)T/ln2=ln[1.2×10^(-12)÷4.3×10^(-13)]×5730÷ln2≈8483.9861年（N‘=Ne^(-λt)）。 | 比如：一个化石样品含有碳-14的丰度是4.3×10^(-13)，则可计算出该化石活体生活的年代距今t=ln(No/N)T/ln2=ln[1.2×10^(-12)÷4.3×10^(-13)]×5730÷ln2≈8483.9861年（N‘=Ne^(-λt)）。 | ||
| − | 利用碳14原理测量生物基含量 | + | === 利用碳14原理测量生物基含量 === |
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| − | + | <p style="text-indent:2em;"> 放射性碳测年法适用于在工业产品中生物基含量测量,因为产品中包含了一些近代的生物质材料和石化衍生材料的组合。为此开发的标准称为ASTM D6866。 | |
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| − | + | <p style="text-indent:2em;"> 近代的生物质材料(生物基成分)含有碳14,石化衍生材料(来自石油)没有。因此所有的碳14产品来自生物基成分。对于一个包含生物质成分和石化衍生成分的产品，ASTM D6866分析将用碳14含量来计算产品中有多少是来自植物成分，有多少来自石油衍生成分。 | |
| − | BETA实验室利用碳-14原理进行天然产品来源测试，如香精、香料、精油、化妆品和补充剂，来识别产品中的化石衍生来源成分。<ref>[https://www.radiocarbon.cn/biobased/biobased/carbon14-dating.html 理解碳14分析，生] </ref> | + | <p style="text-indent:2em;"> 例子: 通过ASTM D6866，100%来源石油衍生成分的聚乙烯制作的产品只有0% 的生物基含量,而一个由100%来源于植物的聚乙烯制作的产品将有一个100%的生物基含量结果。 |
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| + | <p style="text-indent:2em;"> 通过ISO / IEC 17025:2005认证的BETA实验室还为全世界的产品制造商、分销商和研究人员提供生物基产品、生物燃料、垃圾衍生燃料和燃烧排放气体（CO2气体）的生物基/可再生碳含量测试。 | ||
| + | <p style="text-indent:2em;">BETA实验室利用碳-14原理进行天然产品来源测试，如[[ 香精]] 、[[ 香料]] 、[[ 精油]] 、[[ 化妆品]] 和补充剂，来识别产品中的化石衍生来源成分。<ref>[https://www.radiocarbon.cn/biobased/biobased/carbon14-dating.html 理解碳14分析，生] </ref> | ||
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於 2020年6月28日 (日) 16:45 的最新修訂
碳-14是碳元素的一種具放射性的同位素，它是透過宇宙射線撞擊空氣中的氮原子所產生。碳-14原子核由6個質子和8個中子組成。其半衰期約為5,730±40年，衰變方式為β衰變，碳14原子轉變為氮-14原子。自然界中碳元素有三種同位素，即穩定同位素12C、13C和放射性同位素14C。 14C的半衰期為5730年，14C的應用主要有兩個方面：一是在考古學中測定生物死亡年代，即放射性測定年代法 的一種，其他常用的還有鉀-氬法測定，鉀-氬法測定，熱釋光測定等；二是以14C標記化合物為示蹤劑，探索化學和生命科學中的微觀運動。在地球上有99%的碳以碳-12的形式存在，有大約1%的碳以碳-13的形式存在，只有兆分之一（0.0000000001%）是碳-14，存在於大氣中，由大氣中氮與宇宙射線作用生成，其豐度基本保持不變，是生物圈中碳-14的來源。
發現
碳-14最早由加州大學伯克利分校放射性實驗室的馬丁•卡門（Martin Kamen）和塞繆爾•魯賓（Sam Rubin）於1940年2月27日發現的。1949年碳-14測年方法的祖師爺Willard Libby和Arnold完成了已知年齡的考古和地質樣品的測定，宣告14C測年方法的創建成功，轟動了整個考古學界和地質學界。Libby也因此在1960年獲得了諾貝爾獎。 [1]
由來
碳有三種自然同位素，其中碳-14具有放射性稍微特別一點，它存在於自然界中所有的生物體中，說到碳，我們第一個想到的就是地球上充滿多樣性的生命形式，我們所知的每一種生物都由四種基本元素構成：碳、氮、氧、氫。但是碳是最重要、也是最特別的元素，它是有機分子的基礎，是生命體的基石。
從鑽石到納米管再到DNA，碳對於構造最複雜的結構必不可少。地球上大部分的碳都來自於上一代恆星死亡時的超新星爆發，目前絕大多數以碳-12的形式存在，也就是原子核中有6個中子。在碳的總量中1.1%是以碳-13的形式存在，原子核中多了一個中子。雖然碳-13也很穩定，但在恆星中碳-13形成的頻率要比碳-12低得多，所以碳-12不僅在地球上是碳的主要形式，而且在我們可觀察宇宙的任何地方都應該是這個樣子，這一點並不奇怪，因為走到哪物理定律都是一樣的，恆星也以同樣的方式聚變。
還有另外一種形式的碳它就是碳14，原子核中有8個中子的碳原子，碳-14非常罕見而且原子核本身也不穩定會發生衰變，在地球上的碳總量中只有1 /萬億的碳原子是碳-14。數十億年前在恆星中形成的碳-14原子的半衰期為5700年，地球目前已經存在了45億年，所以古老的恆星賦予我們的碳-14早已衰變為氮原子了。那麼地球上現在的碳-14咋來的當一個原子的中子數與原子核中的質子數不匹配時，多出來的中子就覺得自己有點多餘，於是原子核通常會發生以下兩種方式的衰變： 一種是α衰變，即原子核發射一個氦-4原子核（兩個質子和兩個中子） 另一種是β衰變，即原子核中的一個中子通過發射一個電子、一個反電子中微子轉變為質子。
所以在碳-14中多出來一個中子，就會經歷β衰變，半衰期為5700年，衰變後的碳-14會變為氮原子，衰變過程中的重子數是守恆的。在所有的有機生命體中，當然也包括我們自己的身體，甚至是海洋中的生物體內，都存在着少量、但含量穩定的碳-14。[2]
應用領域
碳-14呼氣試驗
幽門螺桿菌（Hp）可引起多種胃病，包括胃炎、胃潰瘍、十二指腸潰瘍、非潰瘍性消化不良、胃癌等。因此，根除幽門螺桿菌已經成為現代消化道疾病治療的重要措施。
幽門螺桿菌可產生高活性的尿素酶。當病人服用碳14標記的尿素後，如患者的胃內存在Hp感染，胃中的尿素酶可將尿素分解為氨和碳14標記的CO2，碳14標記的CO2通過血液經呼氣排出，定時收集呼出的氣體，通過分析呼氣中碳14標記的CO2的含量即可判斷患者是否存在幽門螺桿菌感染。
相比於傳統的胃鏡檢查，該法簡單、高效、準確率高，減輕了病人的身體和精神負擔。
標記化合物
碳-14標記化合物廣泛應用於化學、生物學、醫學領域中，採用放射性標記化合物進行示蹤，具有方法簡單、易於追蹤、準確性和靈敏性高等特點。 [8]
利用碳-14測定年代
宇宙射線中的中子與大氣中的大量存在的穩定核素氮14發生N(n,p)C反應能夠產生碳14，而碳14又會發生半衰期T=5730年的β衰變變成氮14，由此構建一個核素平衡。碳14與氧氣反應生成的二氧化碳被生物圈接收，活體生物體內的碳14與碳12濃度比例是一定【經測定，碳14的同位素豐度為1.2×10^(-12)】的，只有當生物死亡後，碳循環中斷，碳14逐漸衰變至沒有。在化石標本中採樣測量碳-14的豐度，與1.2×10^(-12)比較，即可計算出生物生活的年代。
14C的應用主要有兩個方面：一是在考古學中測定生物死亡年代，即放射性測年法；二是以14C標記化合物為示蹤劑，探索化學和生命科學中的微觀運動。
宇宙射線中的中子與大氣中的大量存在的穩定核素氮-14發生N(n,p)C反應能夠產生碳-14，而碳-14又會發生半衰期T=5730年的β衰變變成氮-14，由此構建一個核素平衡。碳-14與氧氣反應生成的二氧化碳被生物圈接收，活體生物體內的碳-14與碳-12濃度比例是一定【經測定，碳-14的同位素豐度為1.2×10^(-12)】的，只有當生物死亡後，碳循環中斷，碳-14逐漸衰變至沒有。在化石標本中採樣測量碳-14的豐度，與1.2×10^(-12)比較，即可計算出生物生活的年代。多數和鈾釷測年對同一批樣品交叉使用 比如：一個化石樣品含有碳-14的豐度是4.3×10^(-13)，則可計算出該化石活體生活的年代距今t=ln(No/N)T/ln2=ln[1.2×10^(-12)÷4.3×10^(-13)]×5730÷ln2≈8483.9861年（N『=Ne^(-λt)）。
利用碳14原理測量生物基含量
放射性碳測年法適用於在工業產品中生物基含量測量,因為產品中包含了一些近代的生物質材料和石化衍生材料的組合。為此開發的標準稱為ASTM D6866。
近代的生物質材料(生物基成分)含有碳14,石化衍生材料(來自石油)沒有。因此所有的碳14產品來自生物基成分。對於一個包含生物質成分和石化衍生成分的產品，ASTM D6866分析將用碳14含量來計算產品中有多少是來自植物成分，有多少來自石油衍生成分。
例子: 通過ASTM D6866，100%來源石油衍生成分的聚乙烯製作的產品只有0% 的生物基含量,而一個由100%來源於植物的聚乙烯製作的產品將有一個100%的生物基含量結果。
通過ISO / IEC 17025:2005認證的BETA實驗室還為全世界的產品製造商、分銷商和研究人員提供生物基產品、生物燃料、垃圾衍生燃料和燃燒排放氣體（CO2氣體）的生物基/可再生碳含量測試。
BETA實驗室利用碳-14原理進行天然產品來源測試，如香精、香料、精油、化妝品和補充劑，來識別產品中的化石衍生來源成分。[3]
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