University of Bristol
Физики из Университета Бристоля предложили концепцию «вечной» батареи на основе алмаза из радиоактивного изотопа - углерода-14. Период полураспада элемента составляет 5700 лет - это означает, что батарея потеряет половину своей мощности лишь через тысячи лет. Устройство также помогает частично утилизировать ядерные отходы - источником углерода-14 являются замедлители, графитовые стержни из ядерных реакторов. Концепция батареи была представлена на ежегодных лекциях в институте Кабот, о чем сообщает пресс-релиз университета.
Традиционные радиоактивные батареи, или РИТЭГи (радиоизотопные термоэлектрические генераторы), работают благодаря теплу, выделяемому в ходе распада радиоактивных элементов. Оно создает разницу температур в разных точках батареи, которую с помощью термоэлектрического эффекта преобразуют в электричество. Несмотря на небольшую эффективность таких установок - КПД составляет около четырех-пяти процентов - они способны функционировать на протяжении долгого времени. Так, благодаря РИТЭГу на основе плутония-238 «Вояджер-2» до сих пор способен передавать на Землю радиосигналы, хотя аппарат находится в полете уже почти 40 лет и его расстояние от Солнца превышает 111 астрономических единиц.
Традиционно в устройствах используются плутоний-238, стронций-90, а также изотопы кюрия, полония и другие радиоактивные частицы. Их основными источниками являются ядерные реакторы - эти изотопы являются частью радиоактивных отходов.
Существует и другой тип электрогенераторов, работающих на энергии радиоактивных распадов - бета-вольтаические генераторы . Они не требуют промежуточного превращения ионизирующего излучения в тепло. Вместо этого в устройствах возникают пары электрон-дырка при взаимодействии с электронами, выброшенными ядрами при бета-распаде. Эти пары напрямую и конвертируются в электрический ток. Как правило, для бета-вольтаических элементов используется тритий. Авторы новой идеи предложили использовать вместо него другие компоненты отходов, традиционно подлежащие утилизации, - графитовые стержни.
При работе ядерного реактора графитовые стержни опускают в активную зону для того, чтобы замедлить скорость ядерной реакции. Они способны эффективно поглощать нейтроны, выбрасываемые ядрами урана в ходе деления. После выдержки в реакторе стержни оказываются насыщены изотопом углерода-14, распадающимся путем бета-распада: испуская электрон и превращаясь в азот-14.
Ученые обратили внимание на то, что как правило углерод-14 концентрируется на внешних областях стержней. Это позволяет эффективно собирать обогащенный материал простым обжигом стержней. Углерод можно затем использовать для роста алмазов методами осаждения из газовой фазы. Выбор алмазов связан с тем, что они способны эффективно преобразовывать ионизирующее излучение в заряд. Благодаря этому их даже предлагают использовать в качестве высокопроизводительных детекторов радиации.
Для того чтобы обезопасить бета-вольтаический элемент, физики предлагают покрыть алмаз, обогащенный углеродом-14, обычным, нерадиоактивным алмазом. Это позволит сдержать большую часть излучения. Период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет - хотя изотоп не обладает высокой активностью, элемент на его основе сможет проработать тысячи лет.
Ранее аналогичные системы были предложены на основе в тысячу раз более активного изотопа: никеля-63. Его период полураспада равен 100 годам. Удельная мощность элемента, разработанного в марте этого года в МИСиС, составляла порядка 10-100 нановатт на кубический сантиметр. О своих планах по созданию электрогенератора на основе углерода-14 заявляли физики из Самарского университета, отмечая, что мощности элемента может хватить для питания маломощных датчиков. Вместо алмаза ученые предлагали использовать карбид кремния.
Помимо возможных применений в электрогенерации, радиоактивный распад углерода-14 активно используется для датирования различных объектов биологического происхождения. Изотоп генерируется с примерно одинаковой скоростью в верхних слоях атмосферы Земли - при захвате азотом «космических» нейтронов. Пока организмы живут, они накапливают в себе этот изотоп, однако после смерти последний прекращает поступать в ткани. Распад постепенно уменьшает его содержание по сравнению с стабильным углеродом-12, что и является маркером возраста объекта.
Владимир Королёв
Все обо всем. Том 5 Ликум Аркадий
Как используют углерод-14 для определения возраста предметов?
Все живые существа содержат углерод. В их состав также входит небольшое количество углерода-14, радиоактивной разновидности углерода. Используя углерод-14, ученые могут определить возраст дерева, предметов одежды и всего, что было когда-то живым. Использование углерода-14 с этой целью называется установлением возраста радиоактивным путем. Радиоактивный углерод помогает определить возраст предметов, которым до 50 000 лет. Скорость, с которой распадаются радиоактивные элементы, называется периодом полураспада.
Период полураспада - это время, за которое распадается половина атомов элемента. Период полураспада углерода-14 около 5500 лет. Это означает, что через 5500 лет после смерти животного или растения в погибших организмах останется только половина находившегося в них первоначально атомов углерода-14. После 11 000 лет только четверть, через 16 500 лет - восьмая часть изначального количества и так далее.
Предположим, что в древней гробнице обнаружен кусок старого дерева. В лаборатории его можно нагреть и превратить в углерод, или сжечь с выделением различных газов, содержащих углекислый газ. Углерод или углекислый газ содержат несколько атомов углерода-14. Эти атомы распадаются. При распаде крохотные частички с большой скоростью покидают атом. Углерод или углекислый газ помещают в очень чувствительный прибор, который называется счетчиком Гейгера. Он учитывает частички, отдаваемые атомами углерода-14. Исходя из количества этих частичек, ученые делают заключение о количестве углерода-14 в образце.
Ученые знают, какое количество углерода-14 содержится в таком же количестве живого дерева. Сравнивая эту с цифру с количеством углерода-14, оставшегося в древнем образце, ученые называют возраст дерева. Например, если найденное древнее дерево содержит половину от количества атомов углерода-14, содержащегося в живом дереве, то образцу около 5500 лет.
Из книги Большая Советская Энциклопедия (УГ) автора БСЭ Из книги Большая Советская Энциклопедия (ЧЕ) автора БСЭ Из книги Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина] автораКак законы Менделя используют в тестах на установление отцовства? Генетики установили, что все четыре группы крови передаются по наследству в полном соответствии с законами Менделя. По всей видимости, существуют три аллели (возможные структурные состояния гена),
Из книги Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное] автора Кондрашов Анатолий ПавловичПочему в США (в отличие от России) не используют название «никотиновая кислота»? Ассоциацию американских врачей обеспокоил тот факт, что из-за схожести названий никотиновой кислоты и никотина общественность может решить, что табак является источником витаминов. Поэтому
Из книги Все обо всем. Том 3 автора Ликум АркадийПочему для передачи и распределения электрической энергии используют преимущественно переменный ток, а не постоянный? На заре электроэнергетики, когда маломощные генераторы электрического тока располагались на небольших расстояниях от потребителей (нередко в
Из книги 3333 каверзных вопроса и ответа автора Кондрашов Анатолий ПавловичВ какой стране наиболее интенсивно используют сталь? В этом отношении лидером является Япония. По статистическим данным, на конец ХХ века в среднем за год расходуется в виде различных изделий (считая арматуру для железобетона, пошедшего на строительство разных
Из книги Все обо всем. Том 5 автора Ликум Аркадий Из книги Новейшая книга фактов. Том 1. Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина автора Кондрашов Анатолий ПавловичКак используют промышленный мусор в Японии? Промышленный мусор в Японии используют весьма оригинально: из него возводят искусственные острова в
Из книги Я познаю мир. Криминалистика автора Малашкина М. М.Что такое углерод? Углерод - это химический элемент, имеющий чрезвычайно важное значение для любого живого существа. Во всей материи, существующей на Земле, на его долю приходится менее одного процента, однако он содержится в любом организме, живом или уже мертвом. Тело
Из книги Кто есть кто в мире природы автора Ситников Виталий ПавловичКак давно люди используют дерево в качестве строительного материала и топлива? Самое древнее свидетельство применения дерева в качестве строительного материала обнаружено в окрестностях водопада Каламбо в Танзании. Возраст этой находки оценивают приблизительно в 60
Из книги Спецслужбы и войска особого назначения автора Кочеткова Полина ВладимировнаКак используют углерод-14 для определения возраста предметов? Все живые существа содержат углерод. В их состав также входит небольшое количество углерода-14, радиоактивной разновидности углерода. Используя углерод-14, ученые могут определить возраст дерева, предметов Из книги автора
Как используют кацусту? В промышленности разные сорта капусты применяют при изготовлении детского питания, производства полуфабрикатов супов, готовых блюд. В домашних условиях капуста незаменима для приготовления разнообразнейших кушаний, входит в состав многих
Из книги автора«ЕСЛИ ТЫ НЕ ИСПОЛЬЗУЕШЬ ДРУГИХ ЛЮДЕЙ, ОНИ ИСПОЛЬЗУЮТ ТЕБЯ…» Советский представитель в ООН оказался «кротом» ЦРУ Предлагаемые вашему вниманию отрывки из книги «Любовница перебежчика» принадлежат перу Джуди Чейвез - профессиональной проститутки, за услуги которой
С обственные технологии радиоуглеродного анализа в Украине стали развиваться в условиях отсутствия необходимых дорогостоящих материалов, химикатов и приборов.
В результате, была создана одновременно дешевая и надежная комплексная технология, которая занимает почти в 10 раз меньше времени, чем традиционная, принятая на Западе. Более того, мы можем определять возраст даже тех образцов, которые во всем мире датируют либо с огромным трудом и большими затратами, либо вообще отказываются их датировать.
После чернобыльской катастрофы содержание радиоуглерода в некоторых находках стало просто огромным; нам приходилось защищать древние низкофоновые образцы от воздействия высокоактивного техногенного радиоуглерода.
Новая ядерно-физическая установка, привезенная нам из Исландии профессором Полем Теодорсеном, отличается простотой, надежностью и высокой точностью. А еще - уточнять нужные даты нам помогает так называемый калибрационный график. Он был выстроен следующим образом. Деревья на Земле, умирая, накапливались слоями.
То есть, деревья росли, падали одно на другое, и так - на протяжении тысяч лет. А сколько лет складывался весь «многослойный пирог»? Это определили, сосчитав количество годичных колец в составе каждого дерева. Скажем, если перед нами 10 слоев, образованных 100-летними деревьями, то весь этот пласт накапливался тысячу лет...
Хронология была подтверждена радиоуглеродным анализом древесных слоев, осуществленным тремя ведущими лабораториями мира; Аризонской (США), лабораторией в Гренингене (Голландия) и Бернской в Швейцарии.
Теперь, определяя возраст образца, мы накладываем полученные данные о концентрации С-14 на калибрационную кривую - и в результате предельно уточняем истинный исторический «паспорт».
Кстати, калибрационная кривая показала, что концентрация радиоуглерода в атмосфере все же иногда колебалась.
Недавно мы заметно «удревнили» несколько икон, считавшихся поздними. Эта работа проводилась одновременно в трех лабораториях - в Швеции, в Голландии и у нас, чтобы не было сомнений в получаемых результатах. И результаты совпали в пределах допустимой ошибки измерения...
Оказалось, что на Украине существовали доселе неизвестные, очень древние школы иконописи; произведения высокой ценности, которая растет с возрастом иконы... И это лишь один из примеров того, сколь важен и необходим для археологов, историков, культурологов радиоуглеродный анализ. Анализ древесины
> Углерод-14
Характеристика и свойства радиоактивного углерода-14. Читайте, как использовать период полураспада изотопов углерода-14 в радиоуглеродном датировании, история.
Углерод-14 – радиотермический способ датирования, применяющий радиоизотопный углерод-14 для того, чтобы оценить возраст объекта.
Задача обучения
- Научиться определять возраст материалов радиоуглеродным датированием.
Основные пункты
- Углерод-14 срабатывает в оценке возраста материалов с углеродами до 58000-62000 лет.
- Если не постоянное поступление космических лучей, то изотоп углерода-14 исчезнет через миллион лет.
- Наиболее частое применение этого метода – оценка возраста органических остатков в археологии.
Термины
- Радиоизотоп – радиоактивный изотоп элемента.
- Углерод-14 – радиоактивный изотоп углерода, в ядре которого вмещается 6 протонов и 8 нейтронов.
- Радиоуглеродное датирование – характеристика объектов, основанная на сравнении наблюдаемого изобилия радиоактивного изотопа и продуктов его распада.
Радиоуглеродное датирование – радиометрический способ датирования. В нем применяется радиоизотопный углерод-14, с чьей помощью определяют возраст содержащих углерод материалов до 58000-62000 лет.
Углерод обладает двумя устойчивыми лишенными радиоактивности изотопами: углерод-12 и углерод-13. Есть также отметки радиоактивного углерода-14. У последнего наблюдается короткий период полураспада (5730 лет), а значит за это время из-за радиоактивного распада его часть уменьшится вдвое. Если бы не постоянное воздействие космических лучей на атмосферу, углерод-14 исчез за миллион лет.
Диаграмма формирования углерода-14 (1), распад (2) и формула для углерода-12
Во время фотосинтеза растения фиксируют атмосферный углекислый газ (СО 2) в органических соединениях. Поэтому полученная фракция изотопа 14С в растительной фазе будет такой же как изотоп в атмосфере. Если растение умирает или съедается, то активность всех изотопов прекращается. Концентрация С14 снижается с экспоненциальной скоростью. При сравнении оставшейся доли С14 с ожидаемой атмосферной, можно вывести возраст образца.
Некалиброванные радиоуглеродные периоды передаются в радиоуглеродных годах – СЕ 1950. Потом их рассматривают детально, чтобы дать точные календарные даты. Чаще всего, радиоуглеродное датирование используют в археологических целях – оценка возраста органических остатков.
За изобретение радиоуглеродного датирования отвечает Виллард Либби (1949 год). Говорили, что идею предложил Энрико Ферми. По оценкам Либби радиоактивность углерода-14 составляет примерно 14 дезинтеграций в минуту на грамм. В 1960 году за свои исследования он получил Нобелевскую премию. Ему удалось доказать точность радиоуглеродного датирования на примере оценки возраста древнего египетского судна – 1850 год до н.э.
12 C и 13 C. Содержание этих изотопов в природном углероде равно соответственно 98,93% и 1,07%. Известны также 13 радиоактивных изотопов углерода (от 8 C до 22 C), из которых один - 14 C - встречается в природе (его содержание в атмосферном углероде около 10 −12). Углерод - лёгкий элемент, и его изотопы значительно различаются по массе, а значит и по физическим свойствам, поэтому во многих природных процессах происходит их разделение (фракционирование).
Изотоп 14 C образуется при облучении 14 N по следующей реакции:
n + 14 N → 14 C + 1 H.14-й изотоп углерода образуется в из атмосферного под действием . С небольшой скоростью углерод-14 образуется и в .
Измерение радиоактивности органических веществ растительного и животного происхождения, обусловленной изотопом 14 C, применяется для возраста старинных предметов и природных образцов. В живом организме 14 C находится в равновесии с окружающей средой. После гибели организма он перестаёт обмениваться углеродом со средой, и содержание 14 C начинает медленно уменьшаться (его равен 5,70±0,03 тыс. лет). Измеренная удельная активность 14 C в образце может быть однозначно связана с временем, прошедшим с момента гибели организма.
Стандарты изотопного состава углерода
Для описания изотопного состава углерода применяется стандарт PDB, название которого происходит от из формации Peedee в (). Эти белемниты были выбраны в качестве стандарта по причине очень однородного изотопного состава.
Фракционирование изотопов углерода в природе
В природе разделение изотопов углерода интенсивно происходит при относительно низких температурах. Растения при фотосинтезе избирательно поглощают легкий изотоп углерода. Cтепень фракционирования зависит от биохимического механизма связывания углерода. Большинство растений интесивно накапливают 12 C, и относительное содержание этого изотопа в их составе на 15-25 выше, чем в атмосфере. В то же время злаковые растения, наболее распространенные в степных ландшафтах, слабо обогащены 12 C и отклоняются от состава атмосферы лишь на 3-8 ‰