Radiowęgiel jest popularną nazwą 14C – jedynego radioaktywnego izotopu węgla. Najważniejsze cechy różniące atomy 14C od zwykłych atomów węgla to: masa i radioaktywność. Choć w śladowych ilościach, radiowęgiel występuje powszechnie na Ziemi. Radiowęgiel jest szeroko stosowany w datowaniu utworów geologicznych i obiektów archeologicznych. Znajduje również zastosowanie w badaniach środowiska współczesnego i zmian środowiska w przeszłości.
Masy izotopów węgla
Izotopy to zbiory atomów tego samego pierwiastka o określonej masie. Atomy różnych izotopów mają różne masy. Większość pierwiastków w przyrodzie ma więcej niż jeden izotop. Izotopy są oznaczane przez podanie liczby masowej z lewej strony symbolu pierwiastka.
Pierwiastek węgiel ma trzy izotopy: 12C, 13C, 14C. Atomy wszystkich izotopów węgla mają te same własności chemiczne, lecz jeden atom 14C jest 14/12 razy cięższy niż atom izotopu 12C, i 14/13 razy cięższy od atomu izotopu 13C.
Zdecydowana większość atomów węgla to atomy 12C. 13C jest znacznie mniej obfity (1 atom 13C przypada na ok. 113 atomów 12C). Atomy 14C występują niezmiernie rzadko – tylko jeden taki atom przypada na ok. 1012(1,000,000,000,000) atomów węgla!
Radioaktywność 14C
Atomy 14C spontanicznie ulegają rozpadowi. Rozpadający się atom 14C wytwarza jedną cząstkę promieniowania beta a sam przekształca się w atom azotu. Ta własność nosi nazwę radioaktywności.
Na skutek rozpadu, liczba radioaktywnych atomów w określonej porcji materii maleje z upływem czasu. Odpowiednio maleje też intensywność wytwarzanego promieniowania. Czas, po którym liczba radioaktywnych atomów maleje o połowę zwany jest „okresem połowicznego rozpadu”.
Okres połowicznego rozpadu 14C wynosi 5730 lat. Odpowiednio, z pewnej porcji atomów 14C po 5730 latach pozostaje połowa, po 11460 – jedna czwarta, po 17190 – 1/8, itd.
Radiowęgiel na Ziemi
Choć okres połowicznego rozpadu radiowęgla jest nieznaczący w geologicznej skali czasu, izotop ten jest stale obecny na Ziemi. Dzieje się tak dzięki promieniowaniu kosmicznemu (strumieniowi głównie protonów o ogromnych energiach, docierających z przestrzeni międzygwiezdnej), które oddziałuje z atomami atmosfery, produkując 14C z atomów azotu. Jest to tzw. produkcja kosmogenna. Całkowita produkcja radiowęgla na Ziemi równoważy jego ubytek powodowany rozpadem, koncentracja 14C pozostaje stała.
Wytworzone atomy 14C uczestniczą w cyklu geochemicznym węgla. Między innymi cyrkulują w atmosferze, głównie związane w cząsteczkach dwutlenku węgla (14CO2).14CO2 może być asymilowany przez rośliny i wchodzi w skład związków organicznych, może również rozpuszczać się w wodzie i cyrkulować wraz z wodą oceaniczną. Ponieważ transport z atmosfery w głębiny oceanu trwa setki lat, koncentracja 14C w głębokim oceanie jest wyraźnie niższa niż w atmosferze.
Stosunek izotopowy 14C/12C jest zwykle odnoszony do stosunku w powszechnie przyjętym tzw. „wzrorcu aktywności współczesnej biosfery”. Według tej konwencji, koncentracja 14C jest wyrażana w „procentach węgla współczesnego” (pMC – percent of modern carbon).