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碳的穩(wěn)定同位素

文章出處:責(zé)任編輯:人氣:-發(fā)表時(shí)間:2018-08-23 10:39:00【

 自然界中碳元素有三種同位素,即穩(wěn)定同位素12C、13C和放射性同位素14C,14C的半衰期為5730年,14C的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面:一是在考古學(xué)中測(cè)定生物死亡年代,即放射性測(cè)年法;二是以14C標(biāo)記化合物為示蹤劑,探索化學(xué)和生命科學(xué)中的微觀運(yùn)動(dòng)。

 
一、14C測(cè)年法
自然界中的14C是宇宙射線與大氣中的氮通過核反應(yīng)產(chǎn)生的。碳-14不僅存在于大氣中,隨著生物體的吸收代謝,經(jīng)過食物鏈進(jìn)入活的動(dòng)物或人體等一切生物體中。由于碳-14一面在生成,一面又以一定的速率在衰變,致使碳-14在自然界中(包括一切生物體內(nèi))的含量與穩(wěn)定同位素碳-12的含量的相對(duì)比值基本保持不變。
 
當(dāng)生物體死亡后,新陳代謝停止,由于碳-14的不斷衰變減少,因此體內(nèi)碳-14和碳-12含量的相對(duì)比值相應(yīng)不斷減少。通過對(duì)生物體出土化石中碳-14和碳-12含量的測(cè)定,就可以準(zhǔn)確算出生物體死亡(即生存)的年代。例如某一生物體出土化石,經(jīng)測(cè)定含碳量為M克(或碳-12的質(zhì)量),按自然界碳的各種同位素含量的相對(duì)比值可計(jì)算出,生物體活著時(shí),體內(nèi)碳-14的質(zhì)量應(yīng)為 m克。但實(shí)際測(cè)得體內(nèi)碳-14的質(zhì)量?jī)?nèi)只有m克的八分之一,根據(jù)半衰期可知生物死亡已有了3個(gè)5730年了,即已死亡了一萬七千二百九十年了。美國(guó)放射化學(xué)家W.F.利比因發(fā)明了放射性測(cè)年代的方法,為考古學(xué)做出了杰出貢獻(xiàn)而榮獲1960年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
 
由于碳-14含量極低,而且半衰期很長(zhǎng),所以用碳-14只能準(zhǔn)確測(cè)出5~6萬年以內(nèi)的出土文物,對(duì)于年代更久遠(yuǎn)的出土文物,如生活在五十萬年以前的周口店北京猿人,利用碳-14測(cè)年法是無法測(cè)定出來的。
 
 
二、碳-14標(biāo)記化合物的應(yīng)用
碳-14標(biāo)記化合物是指用放射性14C取代化合物中它的穩(wěn)定同位素碳-12,并以碳-14作為標(biāo)記的放射性標(biāo)記化合物。它與未標(biāo)記的相應(yīng)化合物具有相同的化學(xué)與生物學(xué)性質(zhì),不同的只是它們帶有放射性,可以利用放射性探測(cè)技術(shù)來追蹤。
 
自20世紀(jì)40年代,就開始了碳-14標(biāo)記化合物的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用。由于碳是構(gòu)成有機(jī)物三大重要元素之一,碳-14半衰期長(zhǎng),β期線能量較低,空氣中最大射程 22cm,屬于低毒核素,所以碳-14標(biāo)記化合物產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣。至80年代,國(guó)際上以商品形式出售的碳-14標(biāo)記化合物,包括了氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)、糖類、核酸類、類脂類、類固醇類及醫(yī)學(xué)研究用的神經(jīng)藥物、受體、維生素和其他藥物等,品種已達(dá)近千種,約占所有放射性標(biāo)記化合物的一半。
 
以碳-14為主的標(biāo)記化合物在醫(yī)學(xué)上還廣泛用于體內(nèi)、體外的診斷和病理研究。用于體外診斷的競(jìng)爭(zhēng)放射性分析是本世紀(jì)60年代發(fā)展起來的微量分析技術(shù)。應(yīng)用這種技術(shù)只要取很少量的體液(血液或尿液)在化驗(yàn)室分析后,即可進(jìn)行疾病診斷。由于競(jìng)爭(zhēng)放射性分析體外診斷的特異性強(qiáng),靈敏度高,準(zhǔn)確性和精密性好,許多疾病就可能在早期發(fā)現(xiàn),為有效防治疾病提供了條件。
碳-14標(biāo)記化合物作為靈敏的示蹤劑,具有非常廣泛的應(yīng)用前景。
 
12C是質(zhì)子數(shù)和中子都為6的碳原子,它是碳元素的一種同位素,在世界現(xiàn)存碳元素中豐度為98.89%,是最常見的碳同位素。
碳12原子被用來作為阿伏伽德羅常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn):12克碳12中所含原子的個(gè)數(shù)被定義為阿伏伽德羅常數(shù)6.022×1023。
 
碳13是碳的穩(wěn)定同位素之一,在地球自然界的碳中占約1.109%
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