RAM VIII: углерод-12, углерод-13 и углерод-14

В этом видео объясняется, почему относительная атомная масса изотопа углерода-12 используется в качестве стандарта, по которому измеряются относительные атомные массы всех остальных атомов. Углерод имеет 3 изотопа, каждый из которых интересен сам по себе: углерод-12, самый распространенный, углерод-13 и чрезвычайно редкий углерод-14. Соотношение изотопов немного варьируется от места к месту и может использоваться в качестве идентификатора происхождения углерода. Углерод-12 и 13 являются первичными, углерод-14 образуется в верхних слоях атмосферы Земли в результате бомбардировки атомов, составляющих воздух, космическим излучением. Будучи радиоактивным, углерод-14 полезен для датирования древних ископаемых. Текст: Помните, что первоначально шкала атомных масс основывалась на массе атома водорода, равной 1 атомной единице массы. Позже это было изменено на массу атома углерода, равную 12 атомным единицам массы. Это привело к тому, что 1 а.е.м. стала равна 1/12 массы атома углерода. Таким образом, определение 1 а.е.м. было обновлено и теперь соответствует 1/12 массы атома углерода. Интересное совпадение: дюйм — это 1/12 фута, первоначально реального фута. Проблема в том, что у разных людей разная длина стопы. Чтобы решить эту проблему, общество выбрало длину стопы короля Генриха I в качестве фиксированного стандарта. В случае с углеродом, у него есть 3 изотопа, каждый с разной массой: углерод-12 с 6 нейтронами, углерод-13 с 7 нейтронами и углерод-14 с 8 нейтронами. Следует ли нам усреднять их массы и использовать это значение в качестве эталона? Проблема в том, что соотношение изотопов углерода меняется от места к месту на Земле, и особенно в космосе, поэтому эталон будет зависеть от того, откуда мы берем образец углерода. Поскольку нам нужен единый стандарт, одинаковый во всей Вселенной, учёные выбрали только изотоп углерода-12, приняв его массу ровно за 12 а.е.м. Все остальные атомы сравниваются с атомом углерода-12, что делает его своего рода «королём Генри» атомных масс. Таким образом, относительной атомной массой элемента является средняя масса его изотопов относительно массы атома углерода-12, принятой за ровно 12. А что насчёт самого элемента углерода? Какова его средняя, или относительная, атомная масса? Не только изотоп углерода-12, но и с учётом всех изотопов, встречающихся в природе? Около 99% встречающихся в природе атомов углерода — это углерод-12, и только 1% — углерод-13. Менее одного из триллиона — это углерод-14, поэтому мы можем игнорировать его при усреднении. Таким образом, относительная атомная масса углерода очень близка к 12. На самом деле она составляет 12,01, что на 99% ближе к 12, чем к 13. Как и следовало ожидать. Соотношение различных изотопов варьируется в разных местах на Земле и во Вселенной. Знаменитый метеор, найденный в Антарктиде в 1984 году, был идентифицирован как прибывший с Марса из-за особого соотношения изотопов углерода-13 и углерода-12 в его содержании углерода. Углерод-12, углерод-13 и углерод-14 выглядят и ощущаются как углерод, и все они ведут себя как углерод, потому что все они являются углеродом. Например, все их атомы образуют 4 химические связи при соединении с другими атомами, поэтому все они связываются одинаково с кислородом, образуя молекулы углекислого газа. Это происходит потому, что атомы химически связываются, разделяя электроны на своих внешних оболочках, поэтому количество нейтронов в их ядрах не имеет значения. Мы можем здесь уменьшить количество протонов и нейтронов. Чтобы различать молекулы CO2, мы можем записать нижнюю как C-12O2, среднюю как C-13O2, а верхнюю как C-14O2. Но почему только один из триллиона атомов углерода имеет углерод-14? Откуда они берутся? Они образуются, когда нейтрон выбивается из атомов высоко в атмосфере космическими лучами из космоса, а затем бомбардирует атом азота в воздухе, превращая его в атом C-14. Как и все атомы углерода, эти атомы углерода-14 реагируют с кислородом в воздухе, образуя молекулы CO2, которые затем поглощаются растениями в процессе фотосинтеза. Животные, которые питаются растениями, и животные, которые питаются животными, которые питаются растениями, также будут иметь некоторое количество атомов углерода-14 в своих телах. Атомы углерода-14 радиоактивны, а это значит, что и вы радиоактивны. Измеряя уровень радиоактивности окаменелости, ученые могут определить ее возраст, до 50 000 лет. Мы сняли целое видео о том, как работает радиоуглеродное датирование. Посмотрите его.