Kohlenstoff-Isotope

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.

Natürlich auftretende Kohlenstoff-Isotope

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

	Atommasse A_r	Anteil	Halbwertszeit	Spin
Kohlenstoff Isotopengemisch	12,011 u	100 %
Isotop ¹²C	12,00000000000 u	98,94 %	stabil	0+
Isotop ¹³C	13,003354835(2) u	1,06 %	stabil	1/2-
Isotop ¹⁴C	14,003241988(4) u	Spuren	5700(30) Jahre	0+

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 Nuklid	Z	A	N	Name	Atommasse [Kernmasse] {Massenüberschuss}	Spin I (h/2π)	μ	A-Nuk
1	2	3	4	5	6	7	8	9
⁸C	6	8	2	Kohlenstoff-8	8,037643(20) u [8,0343515 u] {35,06423 MeV}	0+
⁹C	6	9	3	Kohlenstoff-9	9,0310372(23) u [9,0277457 u] {28,91097 MeV}	3/2-	-1,3914(5)
¹⁰C	6	10	4	Kohlenstoff-10	10,01685322(7) u [10,0135618 u] {15,69867 MeV}	0+
¹¹C	6	11	5	Kohlenstoff-11	11,01143260(6) u [11,0081411 u] {10,6494 MeV}	3/2-	- 0,964(1)
¹²C	6	12	6	Kohlenstoff-12	12,00000000000 u [11,9967085 u] {0 MeV}	0+		¹²B ¹²N
¹³C	6	13	7	Kohlenstoff-13	13,003354835(2) u [13,0000634 u] {3,12501 MeV}	1/2-	+ 0,702369(4)	¹³B ¹³N
¹⁴C	6	14	8	Kohlenstoff-14	14,003241988(4) u [13,9999505 u] {3,01989 MeV}	0+		¹⁴B
¹⁵C	6	15	9	Kohlenstoff-15	15,0105993(9) u [15,0073078 u] {9,87318 MeV}	1/2+	1,720(9)
¹⁶C	6	16	10	Kohlenstoff-16	16,014701(4) u [16,0114095 u] {13,69389 MeV}	0+
¹⁷C	6	17	11	Kohlenstoff-17	17,022579(19) u [17,0192875 u] {21,0322 MeV}	3/2+	0,758(4)
¹⁸C	6	18	12	Kohlenstoff-18	18,02675(3) u [18,0234585 u] {24,91746 MeV}	0+
¹⁹C	6	19	13	Kohlenstoff-19	19,03480(11) u [19,0315085 u] {32,41599 MeV}	(1/2+)
²⁰C	6	20	14	Kohlenstoff-20	20,04026(25) u [20,0369685 u] {37,50195 MeV}	0+
²¹C	6	21	15	Kohlenstoff-21	21,04900(64) u [21,0457085 u] {45,64321 MeV}	(1/2+)
²²C	6	22	16	Kohlenstoff-22	22,05755(25) u [22,0526785 u] {52,13572 MeV}	0+

Isotop	Zerfall (radioaktiver Zerfall)				AE	Mehr
	Halbwertszeit	Zerfallsart	Anteil	Energie		Info
1	10	11	12	13	14	15
C-8	3,5(13) × 10^-21 s	2p zu ⁶Be	100 %	12,143 MeV		AL
C-9	126,5(9) ms	EE/β⁺ ⁹B β⁺, p zu ⁸Be β⁺, α zu ⁵Li	62,0(19) % 37,9(58) %	16,4948(23) MeV 16,6803(25) MeV 14,807(50) MeV		AL
C-10	19,290(12) s	β⁺ zu ¹⁰B		3,64806(7) MeV		AL
C-11	20,364(14) Minuten	EE, β⁺ zu ¹¹B	100 %	1,98169(6) MeV		AL
C-12	stabil					AL
C-13	stabil					AL
C-14	5700(30) Jahre	β^- zu ¹⁴N	100 %	0,156476(4) MeV		AL
C-15	2,449(5) s	β^- zu ¹⁵N	100 %	9,7717(8) MeV		AL
C-16	747(8) s	β^- zu ¹⁶N β^-, n zu ¹⁵N	2,1 % 97,9 %	8,010 MeV 5,521 MeV		AL
C-17	193(6) ms	β^- zu ¹⁷N β^-, n zu ¹⁶N	71,6 % 28,4 %	13,162 MeV 7,277 MeV		AL
C-18	92(2) ms	β^- zu ¹⁸N β^-, n zu ¹⁷N	68,5 % 31,5(5) %	11,810 MeV 8,980 MeV		AL
C-19	46,3(40) ms	β^-, n zu ¹⁸N β^- zu ¹⁹N β^-, 2n zu ¹⁷N	47,0 % 46,0 % 7 %			AL
C-20	16,3 ms	β^- zu ²⁰N β^-, n zu ¹⁹N β^-, 2n zu ¹⁸N β^-, 3n zu ¹⁷N	100 % 65(18) % < 18,6 % ?			AL
C-21	< 30 ns	n zu ²⁰C				AL
C-22	6,1 ms	β^- zu ²²N β^-, n zu ²¹N β^-, 2n zu ²⁰N				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; gegebenenfalls Trivialnamen.
6 - Relative Atommasse des Kohlenstoff-Isotops (Isotopenmasse inklusive Elektronen) und in eckigen Klammern die Masse des Atomkerns (Kernmasse, Nuklidmasse ohne Elektronen), jeweils bezogen auf ¹²C = 12,00000 [2]. Zusätzlich ist der Massenüberschuss (Massenexzess) in MeV angegeben.
7 - Kernspin I, Einheit: h/2π.
8 - Kernmagnetisches Moment μ_mag.
9 - Ausgangsnuklide: Mögliche, angenommene oder tatsächliche Ausgangs-Nuklide (Mutternuklide, Elternnuklide). Die entsprechenden Zerfalls-Modi sind gegebenenfalls bei den Daten des jeweiligen Ausgangsnuklids zu finden.
10 - Zerfall: Halbwertszeiten des Kohlenstoff-Isotops mit a = Jahre; ; d = Tage; h = Stunden; min = Minuten; s = Sekunden.
11 - 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.
12 - Zerfall: Zerfallsanteil in Prozent (%).
13 - Zerfall: Zerfallsenergie; Partikelenergie bezogen auf Zerfallsart.
14 - AE = Anregungsenergie für metastabile Kerne.
15 - Sonstige Informationen und Hinweise: AL = Weitere Niveaus, so genannte Adopted Levels (Verlinkung auf externe Daten [1]).

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 Anteil Spin I	Kernmagnetisches Moment μ/μ_N	Gyromagnetisches Verhältnis 10⁷ rad T^-1 s^-1	Quadrupol- Moment Q [barn]	Resonanz- Frequenz v₀ bei 1 T	Relative Empfindlichkeit H₀ = const. v₀ = const. *
¹³C 1,06 % 1/2-	+ 0,702369(4)	6,7283		10,7084	0,01591 0,2515

*) bezogen auf ¹H = 1,000

Strahlenschutz

Für den Umgang mit den Kohlenstoff-Radionukliden gelten gemäß Strahlenschutzverordnung (StrlSchV 2018) unter anderem folgende Werte (Spalten 1 bis 7):

Nuklid	Freigrenzen		HRQ-Schwelle	OFK	Tochternuklide	Halbwertszeit
C-11	10⁶ Bq	10 Bq/g	0,06 TBq			20,4 Minuten
C-14	10⁷ Bq	1 Bq/g	50 TBq	100 Bq/cm²		5700 Jahre

(HRQ = Hochradioaktive Quellen; OFK = Oberflächenkontamination)

Kernisobare Nuklide des Kohlenstoffs

Zu den Kohlenstoff-Nukliden isobare Atomkerne befinden sich in der jeweiligen Tabellenzeile; Z = Ordnungszahl; A = Nukleonenzahl (Massenzahl).

Z:	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
A	He	Li	Be	B	C	N	O	F	Ne	Na	Mg	Al	Si
8	⁸He	⁸Li	⁸Be	⁸B	⁸C
9	⁹He	⁹Li	⁹Be	⁹B	⁹C
10	¹⁰He	¹⁰Li	¹⁰Be	¹⁰B	¹⁰C	¹⁰N
11		¹¹Li	¹¹Be	¹¹B	¹¹C	¹¹N
12		¹²Li	¹²Be	¹²B	¹²C	¹²N	¹²O
13			¹³Be	¹³B	¹³C	¹³N	¹³O
14			¹⁴Be	¹⁴B	¹⁴C	¹⁴N	¹⁴O	¹⁴F
15			¹⁵Be	¹⁵B	¹⁵C	¹⁵N	¹⁵O	¹⁵F
16			¹⁶Be	¹⁶B	¹⁶C	¹⁶N	¹⁶O	¹⁶F	¹⁶Ne
17				¹⁷B	¹⁷C	¹⁷N	¹⁷O	¹⁷F	¹⁷Ne
18				¹⁸B	¹⁸C	¹⁸N	¹⁸O	¹⁸F	¹⁸Ne	¹⁸Na
19				¹⁹B	¹⁹C	¹⁹N	¹⁹O	¹⁹F	¹⁹Ne	¹⁹Na	¹⁹Mg
20					²⁰C	²⁰N	²⁰O	²⁰F	²⁰Ne	²⁰Na	²⁰Mg
21					²¹C	²¹N	²¹O	²¹F	²¹Ne	²¹Na	²¹Mg	²¹Al
22					²²C	²²N	²²O	²²F	²²Ne	²²Na	²²Mg	²²Al	²²Si

Kernisotone Nuklide des Kohlenstoffs

Die zu den Kohlenstoff-Kernen isotonen Nuklide befinden sich in der jeweiligen Tabellenzeile; N = Anzahl der Neutronen.

2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
³H	⁴H	⁵H	⁶H	⁷H
⁴He	⁵He	⁶He	⁷He	⁸He	⁹He	¹⁰He
⁵Li	⁶Li	⁷Li	⁸Li	⁹Li	¹⁰Li	¹¹Li	¹²Li
⁶Be	⁷Be	⁸Be	⁹Be	¹⁰Be	¹¹Be	¹²Be	¹³Be	¹⁴Be	¹⁵Be	¹⁶Be
⁷B	⁸B	⁹B	¹⁰B	¹¹B	¹²B	¹³B	¹⁴B	¹⁵B	¹⁶B	¹⁷B	¹⁸B	¹⁹B	²⁰B	²¹B
⁸C	⁹C	¹⁰C	¹¹C	¹²C	¹³C	¹⁴C	¹⁵C	¹⁶C	¹⁷C	¹⁸C	¹⁹C	²⁰C	²¹C	²²C
	¹⁰N	¹¹N	¹²N	¹³N	¹⁴N	¹⁵N	¹⁶N	¹⁷N	¹⁸N	¹⁹N	²⁰N	²¹N	²²N	²³N
		¹²O	¹³O	¹⁴O	¹⁵O	¹⁶O	¹⁷O	¹⁸O	¹⁹O	²⁰O	²¹O	²²O	²³O	²⁴O
			¹⁴F	¹⁵F	¹⁶F	¹⁷F	¹⁸F	¹⁹F	²⁰F	²¹F	²²F	²³F	²⁴F	²⁵F
			¹⁵Ne	¹⁶Ne	¹⁷Ne	¹⁸Ne	¹⁹Ne	²⁰Ne	²¹Ne	²²Ne	²³Ne	²⁴Ne	²⁵Ne	²⁶Ne
					¹⁸Na	¹⁹Na	²⁰Na	²¹Na	²²Na	²³Na	²⁴Na	²⁵Na	²⁶Na	²⁷Na
					¹⁹Mg	²⁰Mg	²¹Mg	²²Mg	²³Mg	²⁴Mg	²⁵Mg	²⁶Mg	²⁷Mg	²⁸Mg
						²¹Al	²²Al	²³Al	²⁴Al	²⁵Al	²⁶Al	²⁷Al	²⁸Al	²⁹Al
						²²Si	²³Si	²⁴Si	²⁵Si	²⁶Si	²⁷Si	²⁸Si	²⁹Si	³⁰Si
							²⁴P	²⁵P	²⁶P	²⁷P	²⁸P	²⁹P	³⁰P	³¹P
								²⁶S	²⁷S	²⁸S	²⁹S	³⁰S	³¹S	³²S
									²⁸Cl	²⁹Cl	³⁰Cl	³¹Cl	³²Cl	³³Cl
										³⁰Ar	³¹Ar	³²Ar	³³Ar	³⁴Ar
											³²K	³³K	³⁴K	³⁵K
												³⁴Ca	³⁵Ca	³⁶Ca
													³⁶Sc	³⁷Sc
														³⁸Ti

Literatur 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.

[3] - Live Chart of Nuclides. Nuclear structure and decay data.

Kohlenstoff: Kernmagnetische Eigenschaften - ¹³C-NMR

[4] - 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.

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

[6] - Pekka Pyykkö: Year-2017 nuclear quadrupole moments. Molecular Physics, (2018), DOI 10.1080/00268976.2018.1426131.

[7] - N. J. Stone: Table of recommended nuclear magnetic dipole moments. IAEA, (2019).

Weitere Quellen:

[8] - Isotopenhäufigkeiten, Atommassen und Isotopenmassen: Siehe unter dem jeweiligen Stichwort.

[9] - NN:
Hoyle-Zustand von Kohlenstoff-12.
In: Internetchemie News, (2012), DOI https://www.internetchemie.info/news/2012/dec12/kohlenstoff-hoyle-zustand.php.

Kategorie: Chemische Elemente

Letzte Änderung am 12.12.2022.

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