Kohlenstoff-Isotope

Liste und Eigenschaften aller bekannten natürlichen und künstlichen Kohlenstoff-Nuklide sowie radioaktive Zerfallsprodukte.




Allgemeines

Kohlenstoff

 

Vom Element Kohlenstoff sind 15 Isotope bekannt - 2 davon sind stabil (12C, 13C), die anderen treten als instabile natürliche Zerfallsprodukte (14C) auf bzw. wurden künstlich erzeugt. Das Kohlenstoff-Radioisotop mit der längsten Halbwertszeit (5700 Jahre) ist das auch in der Natur in Spuren auftretende C-14.

Natürlicher Kohlenstoff ist damit ein Gemisch aus C-12 und C-13 sowie Spuren von C-14 folgender Isotopenzusammensetzung:

 

Natürliches Kohlenstoff
Isotopengemisch:
C-Isotop 12CC-Isotop 13CC-Isotop 14C
Atommasse [u]:12,011
12,0096 bis 12,0116
exakt 12,0000013,003354835(2)14,00324198842(403)
Anteile:100 %~ 98,94 %~ 1,06 %Spuren
Schwankung:98,84 - 99,04 %0,96 - 1,16 %< 10-12 %

 

Kohlenstoff-11

Das Kohlenstoffisotop C-11 findet als Radioisotop Anwendung in der Positronen-Emissions-Tomographie: [11C]DASB und andere.

 

Kohlenstoff-14

C-14 - auch Radiocarbon genannt - ist das in geringen Spuren (1 : 1 Billion) im natürlichen Kohlenstoff enthaltetene, radioaktive Kohlenstoff-Isotop. Es entsteht überwiegend in der Atmosphäre durch die Einwirkung kosmischer Strahlung auf 14N Stickstoff-Isotope durch Neutroneneinfang und unter Abgabe eines Protons:

14N + 1n → 14C + 1p.

Die 14-Radioisotope treten in den irdischen Kohlenstoffkreislauf ein - zum Beispiel als 14CO2 und verteilen sich weiträumig und gleichmäßig, insbesondere auch in den lebenden Organismen. Insgesamt besteht ein Gleichgewicht zwischem dem "normalen", stabilen Kohlenstoff und dem Radiokohlenstoff. Die mit einer Halbwertszeit von 5700 Jahren zerfallenden 14C-Nuklide erhalten immer wieder Nachschub aus der Atmosphäre, so lange zwischen Luft und Materie eine Austauschmöglichkeit besteht; insgesamt besteht ein recht konstantes Gleichgewicht - ein so genanntes Fließgleichgewicht zwischen Zerfall und Neubildung - 12/13C zu 14C von 1 : 1012.

Die Radiokohlenstoff-Atome zerfallen allmählich unter Abgabe eines Elektrons (β--Strahlung) und eines Neutrinos v wieder zu Stickstoff-14:

14C → 14N + e- + v.

Dieses Gleichgewicht der Kohlenstoff-Isotope in organischen anderen kohlenstoffhaltigen Materialien bildet die Basis für eine Methode zur Altersbestimmung, die unter den Namen C14-Analyse, 14C-Datierung, Radiocabon-Datierung oder auch Radiocarbonmethode bzw. Radiokohlenstoffdatierung bekannt ist: Nach dem Absterben eines Organismus zerfallen die C14-Atome wie beschrieben. Gelangen die abgestorbenen Teile nicht oder nur langsam wieder in den natürlichen Kreislauf (zum Beispiel Holz, Knochen etc.), dann nimmt der Gehalt an C14 im Laufe der Zeit immer weiter ab. Durch die Bestimmung des Anteils an 14C und entsprechenden Umrechnungen läßt sich so das Alter einer gegebenen Probe in einem Zeitrahmen von etwa 300 bis 60000 Jahren bestimmen.

 

Isotopentabelle: Kohlenstoff

Isotop Z A N Name Nuklidmasse Zerfall (radioaktiver Zerfall) Spin μ AE Mehr A-Nuk
Nu Isotopenmasse Halbwertszeit Zerfallsart Anteil Energie I (h/2π) Info
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
8C682Kohlenstoff-88,037662561(24764)2,86 x 10-21 s2p zu 6Be
α ?
2,141 MeV0+AL
9C693Kohlenstoff-99,031035568(2293)126,5(9) msβ+ zu 9Be
β+, p zu 8Be
β+, α zu 5Li
(3/2-)- 1,3914(5)AL
10C6104Kohlenstoff-1010,016853230(432)19,290(12) sε zu 10B3,648 MeV0+AL
11C6115Kohlenstoff-1111,011433611(1020)20,364(14) minε zu 11B1,982 MeV3/2-- 0,964(1)AL
12C6126Kohlenstoff-1212,00000000000stabil0+AL 12B
12N
13C6137Kohlenstoff-1313,003354835(2)stabil1/2-+ 0,7024118(14)AL 13B
13N
14C6148Kohlenstoff-1414,00324198842(403)5700(30) aβ- zu 14N100 %0,156475(4) MeV0+AL 14B
15C6159Kohlenstoff-1515,010599256(858)2,449(5) sβ- zu 15N100 %9,7717(8) MeV1/2+1,32(7)AL
16C61610Kohlenstoff-1616,014701252(3840)0,747(8) sβ- zu 16N
β-, n zu 15N
0+AL
17C61711Kohlenstoff-1717,022579037(18641)193(13) msβ- zu 17N
β-, n zu 16N
0,758AL
18C61812Kohlenstoff-1818,026752275(32206)92(2) msβ- zu 18N
β-, n zu 17N
(0+)AL
19C61913Kohlenstoff-19[19]- ungelistet -AL
20C62014Kohlenstoff-2020,040319754(256749)14(+6-5) msβ- zu 20N
β-, n zu 19N
AL
21C62115Kohlenstoff-21[21]- ungelistet -AL
22C62216Kohlenstoff-2222,055970(540)6,1(+14-12) msβ- zu 22N
β-, n zu 21N
β-, 2n zu 20N
0+AL

 

Erläuterungen zu den einzelnen Spalten:

1 - Symbol mit Nukleonenzahl.
2 - Z = Anzahl der Protonen (Ordnungszahl).
3 - Massenzahl A.
4 - N = Anzahl der Neutronen.
5 - Bezeichnung des Kohlenstoff-Isotops.
6 - Relative Nuklidmasse bzw. Atomgewicht des Kohlenstoff-Nuklids bezogen auf 12C = 12,00000 [2].
7 - Zerfall: Halbwertszeiten des Kohlenstoff-Isotops mit a = Jahre; ; d = Tage; h = Stunden; min = Minuten; s = Sekunden.
8 - Zerfall: Zerfallsart in die jeweiligen Tochternuklide mit n = Neutronenemission; p = Protonenemission; α = Alpha-Zerfall; ß- = Beta-Minus-Zerfall unter Elektronenemission; EE = Elektroneneinfang; ß+ = Positronenemission; ε = ß+ und/oder EE; Iso = Isomerieübergang; CZ = Cluster-Zerfall; SZ = Spontanzerfall.
9 - Zerfall: Zerfallsart in Prozent (%).
10 - Zerfall: Zerfallsenergie; Partikelenergie bezogen auf Zerfallsart.
11 - Kernspin I, Einheit: h/2π.
12 - Kernmagnetisches Moment μmag.
13 - AE = Anregungsenergie für metastabile Kerne.
14 - Sonstige Informationen und Hinweise: AL = Weitere Niveaus, so genannte Adopted Levels (Verlinkung auf externe Daten [1]).
15 - Ausgangsnuklide: Mögliche, angenommene oder tatsächliche Ausgangs-Nuklide (Mutternuklide, Elternnuklide). Die entsprechenden Zerfalls-Modi sind gegebenenfalls bei den jeweiligen Ausgangsnukliden zu finden.

Sonstige:

()- Eingeklammerte Ziffern: Unsicherheit zur Darstellung der Streubreite des angegebenen Wertes.
~ - Theoretische Werte oder systematische Trends.
  - ungelistet-: Nuklide, die in der Literatur bereits erwänhnt wurden, aber aus irgendwelchen Gründen in den aktuellen Nuklidtabellen nicht mehr zu finden sind, weil sich deren Entdeckung z. B. nicht bestätigt hat.

 

NMR-aktive Kohlenstoff-Nuklide

Nuklid Natürlicher Spin Kernmagnetisches Gyromagnetisches Quadrupol Resonanz- Relative Empfindlichkeit Anmerkung
Symbol Anteil Moment Verhältnis Moment frequenz bezogen auf 1H = 1,000
in % I μ/μN 107 rad T-1 s-1 Q fm-2 v0 bei 1 T H0 = const. v0 = const.
13C1,06 %1/2-+ 0,7024118(14)6,728310,70840,015910,2515

 

Strahlenschutz

Für den Umgang mit den Radionukliden des Kohlenstoffs gelten gemäß Strahlenschutzverordnung (StrlSchV 2001) folgende Werte (Spalten 1 bis 7):

Symbol Nuklid Freigrenze HRQ-Schwelle OFK Tochternuklide Radiotoxizitätsklasse Halbwertszeit Biologische Kritische
Aktivität Spezifische
Aktivität
im Gleichgewicht lt. StrlSchV Halbwertszeit Organe
11CC-11106 Bq10 Bq/g20,4 Minuten
14CC-14107 Bq104 Bq/g4 × 1011 Bq102 Bq/cm25700 Jahre

(HRQ = Hochradioaktive Quellen; OFK = Oberflächenkontamination)

 

Kernisobare Nuklide des Kohlenstoffs

Zu den Kohlenstoffkernen isobare Nuklide befinden sich in der jeweiligen Tabellenzeile; Z = Ordnungszahl; A = Nukleonenzahl (Massenzahl).

 

Z:234567891011121314
AHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSi
88He8Li8Be8B8C
99He9Li9Be9B9C
1010He10Li10Be10B10C10N
1111Li11Be11B11C11N
1212Li12Be12B12C12N12O
1313Be13B13C13N13O
1414Be14B14C14N14O14F
1515Be15B15C15N15O15F
1616Be16B16C16N16O16F16Ne
1717B17C17N17O17F17Ne
1818B18C18N18O18F18Ne18Na
1919B19C19N19O19F19Ne19Na19Mg
2020C20N20O20F20Ne20Na20Mg
2121C21N21O21F21Ne21Na21Mg21Al
2222C22N22O22F22Ne22Na22Mg22Al22Si

 

Kernisotone Nuklide des Kohlenstoffs

Zu den Kohlenstoff-Kernen isotone Nuklide befinden sich in der jeweiligen Tabellenzeile; N = Anzahl der Neutronen.

Z:12345678910111213141516171819202122
NHHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTi
23H4He5Li6Be7B8C
34H5He6Li7Be8B9C10N
45H6He7Li8Be9B10C11N12O
56H7He8Li9Be10B11C12N13O14F
68He9Li10Be11B12C13N14O15F16Ne
79He10Li11Be12B13C14N15O16F17Ne18Na19Mg
810He11Li12Be13B14C15N16O17F18Ne19Na20Mg21Al22Si
912Li13Be14B15C16N17O18F19Ne20Na21Mg22Al23Si24P
1014Be15B16C17N18O19F20Ne21Na22Mg23Al24Si25P26S
1115Be16B17C18N19O20F21Ne22Na23Mg24Al25Si26P27S28Cl
1216Be17B18C19N20O21F22Ne23Na24Mg25Al26Si27P28S29Cl30Ar
1318B19C20N21O22F23Ne24Na25Mg26Al27Si28P29S30Cl31Ar32K
1419B20C21N22O23F24Ne25Na26Mg27Al28Si29P30S31Cl32Ar33K34Ca
1521C22N23O24F25Ne26Na27Mg28Al29Si30P31S32Cl33Ar34K35Ca36Sc
1622C23N24O25F26Ne27Na28Mg29Al30Si31P32S33Cl34Ar35K36Ca37Sc38Ti

 

Quellen und Hinweise

Eigenschaften der Kohlenstoff-Isotope

[1] - NuDat: National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory, based on ENSDF and the Nuclear Wallet Cards.

[2] - G. Audi et. al.: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics, 2003, DOI 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.

 

Kohlenstoff NMR Eigenschaften: 13C-NMR

[3] - N. J. Stone: Table of nuclear magnetic dipole and electric quadrupole moments. Atomic Data and Nuclear Data Tables, 2005, DOI 10.1016/j.adt.2005.04.001.

[4] - Pekka Pyykkö: Year-2008 nuclear quadrupole moments. Molecular Physics, 2008, DOI 10.1080/00268970802018367.

 

Isotopenhäufigkeiten, Atommassen und Isotopenmassen: Siehe unter dem jeweiligen Stichwort.

 

Spezielles:

[5] - Hoyle-Zustand von Kohlenstoff-12.
Forscherteam entdeckt die Struktur des so genannten Hoyle-Zustands. Artikel, Internetchemie, (2012).

 


Kategorie: Chemische Elemente

Aktualisiert am 28. September 2017.







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