Koolstof-14

Koolstof-14 (¹⁴₆C) is 'n radioaktiewe isotoop van die element koolstof.

Eienskappe

Algemeen
Naam	Koolstof-14
Protone	6
Neutrone	8
Kernspin	0+
Massa-oorskot	3019,893 keV[1]
Status
Status	radioaktief
Vervalvorm	β-[1]
Relatiewe voorkoms	Spoor in die atmosfeer.
Navigasie
136C 147N ${\displaystyle \nwarrow }$${\displaystyle \uparrow }$${\displaystyle \nearrow }$ ${\displaystyle \leftarrow }$14CC${\displaystyle \rightarrow }$ 157N ${\displaystyle \swarrow }$${\displaystyle \downarrow }$${\displaystyle \searrow }$
Lys van isotope
Portaal Chemie
Portaal Fisika

Dit word deur die kosmiese straling in klein hoeveelhede in die atmosfeer gevorm en dit word gebruik as 'n vorm van radiometriese datering om sekere organiese materiaal se ouderdom te bepaal. Dit is seker die bekendste metode om die ouderdom van organiese materiaal te bepaal tot ongeveer 90 000 jaar oud.

Om te verduidelik wat koolstof-14 is, net eers 'n agtergrond oor atome:

Alle materie bestaan uit atome. Atome het 'n kern in die middel waarom elektrone (negatief-gelaaide deeltjies) draai. 'n Atoom se kern bestaan uit protone (positiefgelaaide deeltjies) en neutrone (neutraal gelaai). Die atoomgetal van 'n atoom dui op die aantal protone van 'n atoom. Protone en neutrone word nukleone genoem. 'n Atoom met 'n neutrale lading het ewe veel protone(+) en elektrone(-). Verskillende elemente bevat verskillende hoeveelhede protone (en elektrone), bv: waterstof het 1 proton, koolstof het 6 protone, suurstof het 8, goud het 79 (kyk Periodieke tabel). Vir meer inligting oor atome, kyk die definisies hieronder:

Definisies

• Atoomgetal: Die aantal protone (en daarom elektrone) van 'n atoom.
• Protone: Die positief-gelaaide deeltjies in 'n atoom. Dit kom in die middel van die atoom voor, in die atoomkern of atoomnukleus. Die aantal protone in die kern bepaal die chemiese eienskappe van 'n atoom asook watter chemiese element dit is. Bv. waterstof het 1 proton, koolstof het 6 protone, suurstof het 8, yster het 26 en goud het 79 (kyk Periodieke tabel)
• Elektrone: Die negatief-gelaaide deeltjies wat om die kern van die atoom beweeg. 'n Atoom met 'n neutrale lading het dieselfde hoeveelheid protone en elektrone.
• Ioon: 'n Atoom met 'n lading (verskillende hoeveelhede protone en elektrone). 'n Atoom met 'n negatiewe lading (het 'n elektron te veel), word 'n anioon genoem (omdat dit tot anodes aangetrokke is). 'n Atoom met 'n positiewe lading (het 'n elektron verloor), word 'n katioon genoem (omdat dit tot katodes aangetrokke is).
• Neutrone: Is saam met die protone in die middel van die atoom. Neutrone het nie 'n positiewe of negatiewe lading nie en hulle doel is om te verseker dat die positief gelaaide protone mekaar nie wegstoot nie en daarom in die middel van die atoom bly. Gewoonlik is daar ongeveer dieselfde hoeveelheid protone as neutrone. Waterstof (H), met atoomgetal een (het slegs een proton), bevat gewoonlik nie neutrone nie. Dit is omdat daar nie verskillende protone is wat mekaar kan afstoot nie.
• Atoomkern/nukleus: Bestaan uit die nukleone (protone en neutrone) en is in die middel van die atoom.
• Nukleone: Die atoomkern, of atoomnukleus, bestaan uit nukleone. Dus word protone en neutrone ook nukleone genoem.
• Atoommassa: Dit is die massa van een atoom. Hoe meer protone en neutrone daar is, hoe swaarder is die atoom.
• Isotoop: Isotope is atome van dieselfde atoomgetal (aantal protone), maar met verskillende aantal neutrone. Bv. koolstof, met 6 protone, kan 6, 7 of 8 neutrone bevat. Die isotoop word aangedui met 'n boskrif, bv die koolstofisotoop wat die mees algemeenste voorkom is koolstof-12. Dit bevat 12 nukleune (6 protone + 6 neutrone) en word aangedui deur ¹²C. Indien koolstof 7 neutrone bevat, word dit ¹³C aangedui. Die aantal protone word soms aangedui as 'n voetskrif. Die volgende is voorbeelde:
  • Koolstof-14: ¹⁴₆C of slegs ¹⁴C (14 nukleone, 6 protone en 14-6=8 neutrone)
  • Yster-56: ⁵⁶₂₆Fe of slegs ⁵⁶Fe (56 nukleone, 26 protone en 56-26=30 neutrone)
  • Neutron: ¹₀n (1 nukleon, 0 protone en 1 neutron)
  • Proton: ¹₁p (1 nukleon, 1 proton en 0 neutrone)

Vorming van C-14

Formasie van koolstof-14.

Koolstof het 6 protone en daar is drie isotope van koolstof wat natuurlik op aarde voorkom: 99% van die koolstof op aarde is koolstof-12 (6 neutrone), 1% is koolstof-13 (7 neutrone), en koolstof-14 (6 neutrone) wat in spoorhoeveelhede (baie klein hoeveelhede) voorkom.

Koolstof-14 word gevorm wanneer kosmiese strale in die boonste atmosfeer neutrone uit die nukleus van 'n atoom uitslaan. Hierdie uitgeslaande neutrone beweeg teen 'n baie vinnige spoed en bots teen gewone stikstof (¹⁴N) wat op 'n laer hoogte in die atmosfeer voorkom. Wanneer hierdie neutrone van die protone van die stikstof uitslaan, lei dit tot die vorming van koolstof-14:

${\displaystyle \mathrm {^{14}_{7}N\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{6}^{14}C\ +\ _{1}^{1}p} }$ ('n neutron verplaas 'n proton)

Verval

In teenstelling met gewone koolstof-12 (¹²C), is koolstof-14 (¹⁴C) onstabiel (radio-aktief) en daarom begin dit stadig met die proses van radioaktiewe verval. Een van die protone van ¹⁴C verval en word 'n proton om weer stikstof (¹⁴N) te word. Tydens hierdie proses word energie vrygestel deur die volgende reaksie:

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

Die halfleeftyd van ¹⁴C is ~5730 jaar. Die hoeveelheid ¹⁴C halveer dus elke 5730 jaar. Die volgende formule word gebruik vir halfleeftyd:

${\displaystyle X=X_{0}\left({\frac {1}{2}}\right)^{\frac {t}{HL}}}$

Waar:^[2]

• X: Konsentrasie na tyd t
• X₀: Konsentrasie aan die begin by tyd t=0
• t: Tyd in jare
• HL: Halfleeftyd – dit tyd wat dit neem sodat die konsentrasie halveer.

Dus, as t = HL, dan is:

${\displaystyle X=X_{0}\left({\frac {1}{2}}\right)^{\frac {HL}{HL}}=X_{0}\left({\frac {1}{2}}\right)^{1}={\frac {X_{0}}{2}}}$

Dus, na elke halfleeftyd halveer die konsentrasie.

Die volgende tabel demonstreer hoe die verval werk:

Aantal halfleeftye	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Aantal jaar (t)	0	5730	11460	17190	22920	28650	34380	40110	45840	51570	57300
Fraksie oor (X/X0)	1	0.5	0.25	0.125	0.0625	0.03125	0.015625	0.007813	0.003906	0.001953	0.000977
Fraksie oor (X/X0)	1	1/2	1/4	1/8	1/16	1/32	1/64	1/128	1/256	1/512	1/1024

Dus, na 10 halfleeftye (in koolstof-14 se geval is dit 57 300 jaar) is die konsentrasie minder as 'n duisendste van die oorspronklike konsentrasie.

'n Ander interessante aspek van koolstof-14 is dat omdat sy halfleeftyd relatief kort is,^[3] verminder die koolstof-14 relatief vinnig tot baie klein konsentrasies wat 'n mens nie akkuraat kan meet nie. Daar word egter vandag koolstof-14 in diamante en dinosourusbene gevind^[4].

Kalibrasie

'n Kalibrasiekromme wat gebruik word om die koolstof-14-meting in kalenderjare om te sit

Die produksie van die radio-isotoop was — in teenstelling tot die vervalproses — in die geskiedenis nie altyd dieselfde gewees nie. Die hoeveelheid koolstof-14 in lewende dinge word bepaal deur die hoeveelheid koolstof-14 in die atmosfeer. Dit is een van die probleme met radiometriese dateringsmetodes, want niemand weet presies wat die aanvangskonsentrasie van koolstof-14 in die atmosfeer was toe die lewende organisme gesterf het nie. Die probleem word deur die spesialiste oorkom deur die ouderdom wat verkry word, te vergelyk met voorbeelde uit bekende ouderdomme en dan 'n kalibrasie-kurwe te gebruik om 'n definitiewe ouderdom vas te stel.

'n Belangrike bron van vergelykingsmateriaal is die groeiringe wat in die hout van bome aangetref word. Die studie hiervan word dendrochronologie genoem. Dis moontlik om te bepaal uit watter jaar 'n bepaalde ring stam. Indien van die hout van hierdie ring 'n koolstof-14-konsentrasie bepaal word, lewer dit 'n kalibrasiepunt op. Die kalibrasiekromme is amper 'n reguit lyn, maar dit bevat afwykings wat die geskiedkundige veranderings in die produksie weerspieël. Hierdie afwykings lyk lukraak, maar hulle is in die verlede vasgelê en verander nie meer nie. Om hierdie gegewens as kalibrasie te gebruik, word nie-parametriese Bayesiaanse statistiek toegepas.

Voetnotas

1. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A.H. Wapstra IUPAC
2. Om die ouderdom van iets te bepaal, moet die hoeveelheid koolstof-14 bekend wees en die aanvangshoeveelheid koolstof-14 (by tyd t=0) aangeneem word en moet die boonste formule soos volg herrangskik word:

   X = X₀(1/2)^t/HL

   X/X₀ = (1/2)^t/HL

   log(X/X₀) = log(1/2)^t/HL

   log(X/X₀) = (t/HL)log(1/2) (kyk logaritme)

   t/HL = log(X/X₀)/log(1/2)

3. Die volgende is 'n lys van tipiese halfleeftye

   • koolstof-14 (¹⁴C) wat na stikstof-14 (¹⁴N) verval met ’n halfleeftyd van 5 730 jaar
   • kalium-40 (⁴⁰K) wat na argon-40 (⁴⁰Ar) verval met ’n halfleeftyd van 1.31 miljard jaar
   • uraan-238 (²³⁸U) wat na lood-206 (²⁰⁶Pb) verval met ’n halfleeftyd van 4.47 miljard jaar
   • rubidium-87 (⁸⁷Rb) wat na stronsium-87 (⁸⁷Sr) verval met ’n half-leeftyd van 49 miljard jaar
4. Kyk Diamonds: a creationist’s best friend en Radiocarbon in dino bones)

Ander bronne

• Kalibrering van datums

Ligter: koolstof-13	Koolstof-14 is 'n isotoop van koolstof	Swaarder: koolstof-15
Vervalproduk van: boor-14, stikstof-18	Vervalketting van koolstof-14	Verval na: stikstof-14