Автор работы: Пользователь скрыл имя, 08 Марта 2011 в 23:43, реферат
Большинство нуклидов (ядра всех изотопов химических элементов) нестабильны и постоянно превращаются в другие нуклиды. Цепочка превращений сопровождается излучениями: в упрощенном виде, испускание ядром двух протонов и двух нейтронов (a-частицы) называют a-излучением, испускание электрона – b-излучением, причем оба этих процесса происходят с выделением энергию. Иногда дополнительно происходит выброс чистой энергии, называемый g-излучением.
Ядро составляет ничтожную часть объема атома, поэтому нейтроны даже при высокой плотности их потока редко попадают в ядро и над 1 см2 земной поверхности за 1 с образуется в среднем всего 2,4 ядра 14C. Если учесть площадь поверхности Земли, то получится, что ежегодно в атмосфере образуется примерно 8 кг этого нуклида. Земля существует миллиарды лет, и если бы ядра 14C были бы стабильными, то их масса на Земле исчислялась бы десятками миллионов тонн. Однако нуклид 14C радиоактивен и непрерывно распадается. Поэтому всего на Земле имеется около 60 тонн радиоуглерода, из которых ежегодно распадается 8 кг — столько же, сколько его образуется (в этом случае говорят о радиоактивном равновесии). Для Земли 60 тонн — крайне малая величина. Так, в атмосферном углекислом газе количество радиоуглерода в среднем составляет лишь около 1 тонны, или 3·10–11% от «обычного» атмосферного углерода (12C + 13C); остальной радиоуглерод в основном растворен в воде океанов. Содержание 14C нарушалось в 50-е — начале 60-х годов XX века в результате испытаний ядерного оружия, и лишь к началу XXI века оно почти вернулось к прежнему уровню.
Большинству из вновь образовавшихся атомов 14C предстоит долгая жизнь — на многие тысячи лет. После образования они почти мгновенно окисляются в воздухе до 14CO, а затем в течение нескольких недель — до 14CO2, молекулы которого равномерно перемешиваются с воздухом. Углекислый газ атмосферы — основной источник углерода, который в огромных количествах усваивается растениями в процессах фотосинтеза. Так радиоуглерод попадает в биосферу. Растениями питаются животные, поэтому вся живая органическая материя содержит радиоуглерод, хотя и в ничтожных количествах (1,18·10–14% относительно углерода-12). Причем большое время его жизни и здесь способствует его равномерному распределению. Очень важно, что в результате обменных процессов, протекающих в живой природе, содержание 14C в растениях и животных в течение их жизни остается постоянным (хотя в разных растениях — разным, см. «Химию и жизнь», 2005, № 4). Но как только обмен с окружающей средой прекращается, содержание радиоуглерода начинает очень медленно снижаться — вдвое каждые 5730 лет.
Радиоуглерод входит также в состав неорганических соединений, которые растворены в воде морей и океанов, в подземных водах и находятся в обменном равновесии с углекислым газом атмосферы. В основном это растворимые гидрокарбонаты, которыми так богаты минеральные воды. Но как только обмен прекращается (например, углерод вошел в состав минерала), происходит то же, что и в живой природе после гибели организма — содержание 14C в обычном углероде со временем начинает убывать. Подробное рассмотрение закономерностей образования и распада радиоуглерода позволило американскому физикохимику Уилларду Фрэнку Либби (1908–1980) совершить в конце 40-х годов выдающееся открытие и через несколько лет получить Нобелевскую премию по химии «за разработку метода использования углерода-14 для определения возраста в археологии, геологии, геофизике и других областях науки».
Вернемся теперь
к «среднему» человеку и посчитаем
скорость распада радиоуглерода в его
теле. Известно, что в 1 г природного «живого»
углерода происходит 15,3 распада 14C
в минуту. Такая малая активность (намного
меньше фона) сильно затрудняла измерения
с помощью счетчиков, поэтому сейчас для
точного определения содержания радиоуглерода
используются масс-спектрометрические
методы. В человеке массой 70 кг содержится
около 14 кг углерода. Следовательно, в минуту
в нем будет распадаться 15,3·103 × 70 = 1,07·106 атомо
Как видим, общее число частиц высокой энергии, испускаемых в теле человека нуклидами 40K и 14C в течение года, приближается к триллиону (1012). Клеток в организме порядка ста триллионов. Однако следует учесть, что мы рассчитали только «внутренние» частицы, тогда как человек подвергается также и внешнему облучению. Еще важнее то, что одна частица высокой энергии может вызвать целый каскад превращений и поразить не одну клетку. Поэтому приведенная в начале статьи цитата выглядит вполне правдоподобной, хотя и парадоксальной для небиолога.
В заключение — несколько забавных расчетов. Зная, сколько атомов 40K распадается в человеке за год по механизму 40K + е → 40Аr (примерно 1,5·1010), легко подсчитать, что в теле человека в течение 50 лет образуется около 3·10-8 мл аргона, а у всех людей на Земле — менее 200 мл — не хватит, чтобы надуть один воздушный шарик...
Современное значение
относительной атомной массы
калия — 39,0983. Какое значение получил бы
воображаемый инопланетный химик, если
бы он провел измерения этой величины
в момент образования нашей планеты, 4,5 млрд
лет назад? Отношение числа атомов 40K
к современному рассчитывается по простой
формуле: N0/N = exp(–kt) = exp(5,41·10–
В заключение попробуем
оценить, насколько нагрелась бы
земная кора только за счет радиоактивного
распада 40K, если бы в ней распалось
всего 5% от имеющегося сейчас количества
40K — без учета тепловых потерь в окружающее
пространство. Такое количество распадется
за 95 миллионов лет. Будем считать, что
калий распространен равномерно, а теплоемкость
земных пород примем равной 1 Дж/(г·К). Сейчас
в 1 кг породы содержится примерно 21 г калия,
из которых на долю 40K приходится
21 × 0,000117 = 0,0025 г. При распаде в этой породе
5% 40K, то есть 0,0025 × 0,05 = 1,25·10-4 г,
или 3,12·10-6 моль, выделится 1,314·106 (эВ) × 96,5 (кДж/(