Carbon-14

Carbon-14, ¹⁴C

Thông tin chung
Ký hiệu	14C
Tên	carbon-14, 14C, C-14, Cacbon phóng xạ
Proton (Z)	6
Neutron (N)	8
Nuclide data
Độ phong phú tự nhiên	1 phần nghìn tỷ
Chu kỳ bán rã (t1/2)	5.730
Khối lượng đồng vị	14.003241 Da
Spin	0+
Cơ chế phân rã
Cơ chế phân rã	Năng lượng phân rã (MeV)
Beta	0.156476[1]
Isotopes of carbon Complete table of nuclides

Carbon-14, ¹⁴C, hay carbon phóng xạ, là một trong các đồng vị phóng xạ của nguyên tố carbon 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 định tuổi bằng đồng vị carbon do nhà hóa lý Willard Libby và cộng sự (1949) sử dụng nhằm xác định tuổi của các mẫu khảo cổ học và địa chất kỷ Đệ tứ.

Carbon-14 do các nhà vật lý và hóa học Martin Kamen và Sam Ruben phát hiện vào ngày 27 tháng 2 năm 1940 tại Phòng thí nghiệm Phóng xạ Đại học California ở Berkeley, mặc dù sự tồn tại của nó đã được Franz Kurie dự đoán từ năm 1934.^[2]

Có ba loại đồng vị của carbon xuất hiện trong tự nhiên trên Trái Đất: 99% là carbon-12, 1% là carbon-13, và carbon-14 xuất hiện với một lượng rất nhỏ, chiếm khoảng một phần nghìn tỷ (0,0000000001%) của carbon trong khí quyển. Chu kỳ bán rã của carbon-14 là 5.730±40 năm.^[3] Carbon-14 phân hạch thành nitơ-14 thông qua phân rã beta.^[4] Nguồn chính trong tự nhiên của carbon-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 carbon 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 carbon: người ta sử dụng nguyên tử carbon-14 nhằm thay thế đồng vị carbon không phóng xạ nhằm theo dõi dấu vết các phản ứng hóa học và hóa sinh có sự tham gia của các nguyên tử carbon trong bất kỳ một hợp chất hữu cơ nào.

Carbon-14 sinh ra ở tầng đối lưu và tầng 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 carbon-14 diễn ra mạnh nhất ở độ cao 9 tới 15 km và ở nơi có vĩ độ từ lớn, sau đó carbon-14 ngay lập tức hòa lẫn và phân tán trong toàn khí quyển nó phản ứng với oxy để tạo ra carbon dioxide phóng xạ. Carbon dioxide hòa tan vào nước và thấm vào đại dương.

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

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

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

Carbon-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 carbon-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 carbon 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 siêu tân tinh, và do sự biến thiên của từ trường Trái Đất. Yếu tố từ trường có thể ảnh hưởng lớn đến tốc độ sản xuất carbon-14, mặc dầu sự thay đổi trong chu trình carbon cũng gây ảnh hưởng khó khăn tới kết quả dự đoán.^[6]

Carbon-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 carbon-14. Gió Mặt Trời chứa những luồng hạt proton năng lượng cao va chạm vào khí quyển đã làm tăng lượng carbon 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 carbon 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 carbon 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 carbon-14 là xấp xỉ 14 hạt nhân ¹⁴C phân hủy trên một phút (dpm) trên một gam chứa thuần túy carbon, kết quả này vẫn còn sử dụng cho đến ngày nay và trở thành tiêu chuẩn xác định carbon 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 carbon trong khí quyển trong quá trình quang hợp do vậy mức ¹⁴C trong thực vật và động vật khi chúng chết xấp xỉ bằng mức ¹⁴C có trong khí quyển ở thời điểm đó. Tuy nhiên, lượng carbon-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 carbon 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 carbon-14 trong mẫu khảo cổ với mức carbon-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.

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 carbon-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 carbon-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 carbon-14 trong men răng,^[15][16] hoặc lượng carbon-14 tập trung trong thấu kính của mắt người đó.^[17]

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

Sự phân bố của carbon-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

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 carbon-14 đã giảm từ lâu. Tuy vậy, những tầng trầm tích này thường chứa một lượng nhỏ carbon-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 carbon để phù hợp với tỷ lệ đo được ¹⁴C/¹²C, đo theo bậc 10⁻¹⁵), hoặc những nguồn phụ khác có sản phẩm carbon-14. Sự xuất hiện của carbon-14 trong dấu hiệu đồng vị của mẫu chứa carbon 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^[22]

Do mọi nguồn thức ăn của con người đều xuất phát từ thực vật hay động vật, lượng carbon trong cơ thể có chứa carbon-14 sẽ bằng với mật độ của nó trong khí quyển. Tốc độ phân rã của Kali-40 và Carbon-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 carbon 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.

Carbon-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 chẩn đoán Helicobacter pylori, urê được đánh dấu với khoảng 37 kBq (1,0 μCi) carbon-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 amonia và carbon dioxide 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.

• Carbon
• Đánh dấu đồng vị
• Định tuổi bằng đồng vị carbon