Carbono-14 , C-14 ,14
C o radiocarbono , es un isótopo radiactivo del carbono con un núcleo atómico que contiene 6 protones y 8 neutrones . Su presencia en materiales orgánicos es la base del método de datación por radiocarbono iniciado por Willard Libby y sus colegas (1949) para datar muestras arqueológicas, geológicas e hidrogeológicas. El carbono-14 fue descubierto el 27 de febrero de 1940 por Martin Kamen y Sam Ruben en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley, California . Su existencia había sido sugerida por Franz Kurie en 1934. [3]
Hay tres isótopos de carbono naturales en la Tierra: carbono-12 (12
C ), que constituye el 99% de todo el carbono de la Tierra; carbono-13 (13
C ), que representa el 1%; y carbono-14 (14
C ), que se encuentra en pequeñas cantidades y constituye aproximadamente 1 o 1,5 átomos por cada 10 12 átomos de carbono en la atmósfera. Tanto el carbono 12 como el carbono 13 son estables, mientras que el carbono 14 es inestable y tiene una vida media de5700 ± 30 años. [4] El carbono-14 tiene una actividad específica máxima de 62,4 mCi/mmol (2,31 GBq/mmol), o 164,9 GBq/g. [5] El carbono-14 se descompone en nitrógeno-14 (14
N ) mediante desintegración beta . [6] Un gramo de carbono que contiene 1 átomo de carbono-14 por cada 10 12 átomos emitirá ~0,2 [7] partículas beta por segundo. La principal fuente natural de carbono-14 en la Tierra es la acción de los rayos cósmicos sobre el nitrógeno de la atmósfera y, por lo tanto, es un nucleido cosmogénico . Sin embargo, los ensayos nucleares al aire libre entre 1955 y 1980 contribuyeron a este fondo.
Los distintos isótopos del carbono no difieren apreciablemente en sus propiedades químicas. Esta semejanza se utiliza en la investigación química y biológica, en una técnica llamada etiquetado de carbono : los átomos de carbono-14 pueden usarse para reemplazar el carbono no radiactivo, con el fin de rastrear reacciones químicas y bioquímicas que involucran átomos de carbono de cualquier compuesto orgánico determinado.
El carbono 14 sufre desintegración beta radiactiva :
Al emitir un electrón y un antineutrino electrónico , uno de los neutrones en el átomo de carbono 14 se desintegra en un protón y el carbono 14 ( vida media de 5700 ± 30 años [1] ) se desintegra en el estado estable (no radiactivo). isótopo nitrógeno-14 .
Como es habitual en la desintegración beta, casi toda la energía de desintegración es arrastrada por la partícula beta y el neutrino. Las partículas beta emitidas tienen una energía máxima de aproximadamente 156 keV, mientras que su energía media ponderada es de 49 keV. [8] Estas son energías relativamente bajas; La distancia máxima recorrida se estima en 22 cm en aire y 0,27 mm en tejido corporal. Se estima que la fracción de radiación transmitida a través de la capa de piel muerta es 0,11. Los detectores Geiger-Müller (GM) típicos no detectan fácilmente pequeñas cantidades de carbono-14 ; Se estima que los detectores genéticamente modificados normalmente no detectarán una contaminación inferior a unas 100.000 desintegraciones por minuto (0,05 µCi). El método preferido es el recuento de centelleo de líquidos [9] , aunque más recientemente la espectrometría de masas con acelerador se ha convertido en el método preferido; cuenta todos los átomos de carbono 14 de la muestra y no sólo los pocos que se desintegran durante las mediciones; por lo tanto, se puede utilizar con muestras mucho más pequeñas (tan pequeñas como semillas de plantas individuales) y proporciona resultados mucho más rápidamente. Se estima que la eficiencia del recuento de transgénicos es del 3%. La capa media en agua es de 0,05 mm. [10]
La datación por radiocarbono es un método de datación radiométrica que utiliza (14
C ) para determinar la edad de materiales carbonosos hasta unos 60.000 años. La técnica fue desarrollada por Willard Libby y sus colegas en 1949 [11] durante su mandato como profesor en la Universidad de Chicago . Libby estimó que la radiactividad del carbono 14 intercambiable sería de aproximadamente 14 desintegraciones por minuto (dpm) por gramo de carbono puro, y esto todavía se utiliza como actividad del estándar moderno de radiocarbono . [12] [13] En 1960, Libby recibió el Premio Nobel de Química por este trabajo.
Uno de los usos frecuentes de la técnica es la datación de restos orgánicos de yacimientos arqueológicos. Las plantas fijan carbono atmosférico durante la fotosíntesis, por lo que el nivel de14
C en plantas y animales cuando mueren es aproximadamente igual al nivel de14
C en la atmósfera en ese momento. Sin embargo, posteriormente disminuye debido a la desintegración radiactiva, lo que permite estimar la fecha de muerte o fijación. La inicial14
El nivel de C para el cálculo puede estimarse o compararse directamente con datos conocidos año tras año de los datos de los anillos de los árboles ( dendrocronología ) hasta hace 10.000 años (utilizando datos superpuestos de árboles vivos y muertos en un área determinada). o bien de depósitos de cuevas ( espeleotemas ), que se remontan a unos 45.000 años antes del presente. Un cálculo o (más exactamente) una comparación directa de los niveles de carbono 14 en una muestra, con los niveles de carbono 14 de anillos de árboles o depósitos de cuevas de una edad conocida, proporciona la edad desde la formación de la muestra de madera o animal. El radiocarbono también se utiliza para detectar perturbaciones en los ecosistemas naturales; por ejemplo, en paisajes de turberas , el radiocarbono puede indicar que el carbono que anteriormente estaba almacenado en suelos orgánicos se está liberando debido a la limpieza de tierras o al cambio climático. [14] [15]
Los nucleidos cosmogénicos también se utilizan como datos indirectos para caracterizar las partículas cósmicas y la actividad solar del pasado distante. [16] [17]
El carbono-14 se produce en la troposfera superior y en la estratosfera mediante neutrones térmicos absorbidos por los átomos de nitrógeno . Cuando los rayos cósmicos ingresan a la atmósfera, sufren diversas transformaciones, incluida la producción de neutrones . Los neutrones resultantes (n) participan en la siguiente reacción np (p es protón ):
La tasa más alta de producción de carbono-14 tiene lugar en altitudes de 9 a 15 kilómetros (30.000 a 49.000 pies) y en altas latitudes geomagnéticas .
La tasa de14
La producción de C se puede modelar, produciendo valores de 16.400 [18] o 18.800 [19] átomos de14
C por segundo por metro cuadrado de la superficie de la Tierra, lo que concuerda con el presupuesto global de carbono que puede utilizarse para retroceder, [20] pero los intentos de medir el tiempo de producción directamente in situ no tuvieron mucho éxito. Los ritmos de producción varían debido a los cambios en el flujo de rayos cósmicos provocados por la modulación heliosférica (viento solar y campo magnético solar) y, de gran importancia, debido a las variaciones en el campo magnético terrestre . Sin embargo, los cambios en el ciclo del carbono pueden hacer que esos efectos sean difíciles de aislar y cuantificar.[20] [21]
Pueden ocurrir picos ocasionales; por ejemplo, hay evidencia de una tasa de producción inusualmente alta en 774-775 d. C. , [22] causada por un evento extremo de partículas energéticas solares, el evento de este tipo más fuerte que haya ocurrido en los últimos diez milenios. [23] [24] Otro "extraordinariamente grande"14
El aumento de C (2%) se ha asociado con un evento ocurrido en el año 5480 a. C., que es poco probable que sea un evento de partículas energéticas solares. [25]
El carbono-14 también puede ser producido por los rayos [26] [27] pero en cantidades insignificantes, globalmente, en comparación con la producción de rayos cósmicos. Los efectos locales de la descarga de nubes al suelo a través de residuos de muestras no están claros, pero posiblemente sean significativos.
El carbono-14 también puede producirse mediante otras reacciones de neutrones, incluido en particular13C (n,γ)14
C y17O (n,α)14
C con neutrones térmicos , y15
norte (n,d)14
C ydieciséis
En ,3
Él )14
C con neutrones rápidos . [28] Las rutas más destacadas para14
La producción de C mediante irradiación de neutrones térmicos de objetivos (por ejemplo, en un reactor nuclear) se resume en la tabla.
El carbono-14 también puede ser radiogénico ( desintegración en racimos de223
ra ,224
ra ,226
Ra ). Sin embargo, este origen es extremadamente raro.
Las pruebas nucleares en la superficie que tuvieron lugar en varios países entre 1955 y 1980 (ver lista de pruebas nucleares) aumentaron dramáticamente la cantidad de carbono-14 en la atmósfera y posteriormente en la biosfera; Una vez finalizadas las pruebas, la concentración atmosférica del isótopo comenzó a disminuir, a medida que el CO 2 radiactivo se fijaba en los tejidos vegetales y animales y se disolvía en los océanos.
Un efecto secundario del cambio en el carbono-14 atmosférico es que ha permitido algunas opciones (por ejemplo, la datación por pulso de bomba [33] ) para determinar el año de nacimiento de un individuo, en particular, la cantidad de carbono-14 en los dientes . esmalte , [34] [35] o la concentración de carbono-14 en el cristalino del ojo. [36]
En 2019, Scientific American informó que se había encontrado carbono-14 procedente de pruebas de bombas nucleares en los cuerpos de animales acuáticos que se encuentran en una de las regiones más inaccesibles de la Tierra, la Fosa de las Marianas en el Océano Pacífico. [37]
La concentración de carbono-14 en el CO 2 atmosférico , reportada como la proporción de carbono-14 a carbono-12 con respecto a un estándar, ha disminuido ahora (aproximadamente desde el año 2022) a niveles similares a los anteriores a la explosión en la superficie. pruebas nucleares de los años 1950 y 1960. [38] [39] Aunque los átomos de carbono 14 adicionales generados durante esas pruebas nucleares no han desaparecido de la atmósfera, los océanos y la biosfera, [40] están diluidos debido al efecto Suess .
El carbono-14 se produce en el refrigerante de los reactores de agua en ebullición (BWR) y de los reactores de agua a presión (PWR). Por lo general, se libera a la atmósfera en forma de dióxido de carbono en los BWR y de metano en los PWR. [41] Las mejores prácticas para la gestión del carbono-14 por parte de los operadores de plantas de energía nuclear incluyen liberarlo por la noche, cuando las plantas no están realizando la fotosíntesis . [42] El carbono-14 también se genera dentro de los combustibles nucleares (algunos debido a la transmutación de oxígeno en el óxido de uranio , pero más significativamente a la transmutación de impurezas de nitrógeno-14), y si el combustible gastado se envía a reprocesamiento nuclear , entonces el carbono-14 14 se libera, por ejemplo como CO 2 durante PUREX . [43] [44]
Después de la producción en la atmósfera superior, los átomos de carbono 14 reaccionan rápidamente para formar la mayor parte (alrededor del 93%)14
CO ( monóxido de carbono ), que posteriormente se oxida a un ritmo más lento para formar14
CO
2, dióxido de carbono radiactivo . El gas se mezcla rápidamente y se distribuye uniformemente por toda la atmósfera (la escala de tiempo de mezcla es del orden de semanas). El dióxido de carbono también se disuelve en el agua y, por tanto, impregna los océanos , pero a un ritmo más lento. [21] La vida media atmosférica para la eliminación de14
CO
2Se ha estimado que en el hemisferio norte dura aproximadamente entre 12 y 16 años. La transferencia entre la capa poco profunda del océano y la gran reserva de bicarbonatos en las profundidades del océano se produce a un ritmo limitado. [29]
En 2009 la actividad de14
El C era de 238 Bq por kg de carbono de biomateria terrestre fresca, cercano a los valores anteriores a los ensayos nucleares atmosféricos (226 Bq/kg C; 1950). [45]
El inventario de carbono-14 en la biosfera de la Tierra es de unos 300 megacurios (11 E Bq ), de los cuales la mayor parte se encuentra en los océanos. [46] Se ha proporcionado el siguiente inventario de carbono-14: [47]
Muchas sustancias químicas fabricadas por el hombre se derivan de combustibles fósiles (como el petróleo o el carbón ), en los que14
El C está muy agotado porque la edad de los fósiles supera con creces la vida media de los fósiles.14
C . La relativa ausencia de14
CO
2Por lo tanto, se utiliza para determinar la contribución relativa (o proporción de mezcla ) de la oxidación de los combustibles fósiles al dióxido de carbono total en una región determinada de la atmósfera terrestre . [48]
Datar una muestra específica de material carbonoso fosilizado es más complicado. Estos depósitos suelen contener trazas de carbono-14. Estas cantidades pueden variar significativamente entre muestras, llegando hasta el 1% de la proporción encontrada en organismos vivos, una concentración comparable a una edad aparente de 40.000 años. [49] Esto puede indicar una posible contaminación por pequeñas cantidades de bacterias, fuentes subterráneas de radiación que causan la14
norte (n,p)14
reacción C , desintegración directa del uranio (aunque se informaron proporciones medidas de14
C /U en minerales que contienen uranio [50] implicaría aproximadamente 1 átomo de uranio por cada dos átomos de carbono para causar la14
C /12
relación C , medida en el orden de 10 −15 ), u otras fuentes secundarias desconocidas de producción de carbono-14. La presencia de carbono-14 en la firma isotópica de una muestra de material carbonoso posiblemente indica su contaminación por fuentes biogénicas o la desintegración de material radiactivo en los estratos geológicos circundantes. En relación con la construcción del observatorio de neutrinos solares Borexino , se obtuvo materia prima de petróleo (para sintetizar el centelleante primario) con bajo14
Contenido C. En las instalaciones de pruebas de conteo de Borexino, un14
C /12
Se determinó una relación de C de 1,94 x 10 −18 ; [51] reacciones probables responsables de niveles variados de14
C en diferentes yacimientos de petróleo , y el menor14
Los niveles de C en el metano han sido discutidos por Bonvicini et al. [52]
Dado que muchas fuentes de alimento humano derivan en última instancia de plantas terrestres, la concentración relativa de carbono-14 en el cuerpo humano es casi idéntica a la concentración relativa en la atmósfera. Las velocidades de desintegración del potasio-40 y del carbono-14 en el cuerpo adulto normal son comparables (unos pocos miles de núcleos desintegrados por segundo). [53] Las desintegraciones beta del radiocarbono externo (ambiental) contribuyen aproximadamente con 0,01 mSv /año (1 mrem/año) a la dosis de radiación ionizante de cada persona . [54] Esto es pequeño en comparación con las dosis de potasio-40 (0,39 mSv/año) y radón (variable).
El carbono 14 se puede utilizar como trazador radiactivo en medicina. En la variante inicial de la prueba de aliento con urea , una prueba de diagnóstico para Helicobacter pylori , se alimenta a un paciente con urea marcada con aproximadamente 37 kBq (1,0 μCi ) de carbono-14 (es decir, 37.000 desintegraciones por segundo). En el caso de una infección por H. pylori , la enzima ureasa bacteriana descompone la urea en amoníaco y dióxido de carbono marcado radiactivamente , que puede detectarse mediante un recuento bajo del aliento del paciente. [55]
El resto del dióxido de carbono atmosférico proviene de fuentes jóvenes, es decir, cambios en el uso de la tierra (por ejemplo, tala de un bosque para crear una granja) y del intercambio con el océano y la biosfera terrestre.
Esto convierte al 14C en un trazador ideal del dióxido de carbono procedente de la combustión de combustibles fósiles.
Los científicos pueden utilizar mediciones de 14C para determinar la edad del dióxido de carbono recolectado en muestras de aire y, a partir de esto, pueden calcular qué proporción del dióxido de carbono en la muestra proviene de combustibles fósiles.