碳的同位素:碳同位素

碳同位素 (carbon isotopes)

质子数或原子序数为6的碳原子或碳元素，在元素周期表上占据同一位置，但其质量数互不相同。质量数为8-19的碳同位素(⁸C～¹⁹C)均已发现，其中¹²C，¹³C是天然稳定同位素，¹⁴C是天然放射性同位素，其余都是人工合成的放射同位素。最常见的同位素是¹²C，其丰度最大，达到98．9%，是炭素材料的主要成分。¹²C的原子量规定为12，是目前原子量的标准。各种碳同位素的性质见表1。

注：β+、β-分别表示正负电子发射；ε表示轨道电子俘获； [ ]表示未确定.⁸C、¹⁸C及¹⁹C数据甚少，未列入。

碳同位素，与其他元素一样，只要具有相当的稳定性(如¹⁴C)即可作为示踪元素，在化学、医学和地质学等领域中加以应用。碳同位紊的应用中最具有特色的是C-13核磁共振术和C-14测年术。

C-13核磁共振术 C-13核的自旋量子数为1/2。在外加磁场H₀中，核自旋能级分裂为量子数为1/2和-1/2两个能级，并以固有频率W₀进动。当垂直于H₀方向上加一旋转频率为W₁的交变磁场H₁时，如果W₁=W₀就发生共振。C-13核吸收能量，向高能态跃迁，接着放出能量并回到低能态，通过测量共振频率W₀和放出的能量值，即可得到有关C-13周围结构及环境的信息。

由于C-13的谱线强度低，灵敏度低，早期C-13核磁共振术的应用仅局限于小分子量化合物纯液体或C13同位素密集样品。傅里叶变换核磁共振术(FT-NMR)的应用才使C-13NMR发展成为一种用途广泛的常规测试手段，可以定量。在沥青组成，特别是在沥青炭化过程的研究中，目前这一技术已成为重要手段之一。其特点是测试时间短，谱线重叠少，化学位移间隔大，并可获得一些不含H基团的结构信息。

C-14测年术C14测年术1950年由利比(Lib—by，W.F.)创始。

宇宙射线与大气作用产生的宇宙射线中子同大气中的氮核反应生成C14。C14再被氧化生成¹⁴CO₂分子，参与CO₂大气循环，凡同大气中CO₂进行直接或间接交换的含碳物质都含有C-14。自然界中C14的生成与减少(衰变)是平衡的。各地处于大气交换中的各种含碳物质的C-14水平近似一致。可用目前自然界C-14水平(含量)代替古物标本所处年代的C-14水平。含碳物质一旦停止交换(如与大气隔绝的地下文物)，其C-14水平就因衰变而减少。测得古物标本现有C-14水平(放射性)，即可按下式算出标本年代。

A=τln(N_0/N_a)

式中A为标本年代；τ为C-14平均寿命，t_1/2/ln2(8267年)；N_a为标本现有放射性强度；N₀为标本原有放射性，用目前自然界中C14放射性强度代替；t1/2为C-14半衰期，为5730年。

测年范围一般为5万年以内。女n：1t京周口店山顶洞人的年代，从前只大致估计距今10万年左右，G14测定改进为距今两万年；西安半坡遗址经C-14测定，断定为6000余年前的遗物。龙山文化，经C-14测定，其绝对年代确定为公元前2000-2600年。

在炭素材料科学中的应用关于石墨晶体空位缺陷对其性能的影响，准确的实验测定是炭素材料科学中的一个难点。凯利(B．T．Ke11y)曾建议：制造富含C-14的石墨样品，将样品储存一定的时间(1～10年)，利用这种碳同位紊的衰变特性，可在样品中准确地产生一定量的空位，再进行追踪测定和研究。