Carbono-14 , C-14 ,14
El carbono-14 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 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 presentes de forma natural en la Tierra: carbono-12 (12
C ), que constituye el 99% de todo el carbono de la Tierra; el carbono-13 (13
C ), que representa el 1%; y el carbono-14 (14
C ), que se encuentra en cantidades mínimas, lo que representa aproximadamente 1 o 1,5 átomos por cada 10 12 átomos de carbono en la atmósfera. El carbono-12 y 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 desintegra en nitrógeno-14 (14
N ) a través de la 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 en la atmósfera y, por lo tanto, es un nucleido cosmogénico . Sin embargo, las pruebas nucleares al aire libre entre 1955 y 1980 contribuyeron a esta reserva.
Los diferentes isótopos del carbono no difieren apreciablemente en sus propiedades químicas. Esta similitud se utiliza en la investigación química y biológica, en una técnica llamada marcaje de carbono : los átomos de carbono 14 pueden utilizarse para reemplazar al carbono no radiactivo, con el fin de rastrear reacciones químicas y bioquímicas que involucran átomos de carbono de cualquier compuesto orgánico dado.
El carbono-14 sufre una desintegración beta radiactiva :
Al emitir un electrón y un antineutrino electrónico , uno de los neutrones del átomo de carbono-14 se desintegra en un protón y el carbono-14 ( vida media de 5.700 ± 30 años [1] ) se desintegra en el isótopo estable (no radiactivo) nitrógeno-14 .
Como es habitual en la desintegración beta, casi toda la energía de desintegración es transportada por la partícula beta y el neutrino. Las partículas beta emitidas tienen una energía máxima de unos 156 keV, mientras que su energía media ponderada es de 49 keV. [8] Se trata de energías relativamente bajas; se estima que la distancia máxima recorrida es de 22 cm en el aire y de 0,27 mm en el tejido corporal. Se estima que la fracción de radiación transmitida a través de la capa de piel muerta es de 0,11. Los detectores Geiger-Müller (GM) típicos no detectan fácilmente pequeñas cantidades de carbono-14 ; se estima que los detectores GM normalmente no detectarán una contaminación de menos de unas 100.000 desintegraciones por minuto (0,05 μCi). El recuento de centelleo líquido es el método preferido [9] , aunque más recientemente, la espectrometría de masas con acelerador se ha convertido en el método de elección; cuenta todos los átomos de carbono-14 de la muestra y no solo 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 brinda resultados mucho más rápidamente. Se estima que la eficiencia de conteo de GM es del 3%. La capa de media distancia 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 de hasta unos 60.000 años de antigüedad. 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 unas 14 desintegraciones por minuto (dpm) por gramo de carbono puro, y esto todavía se utiliza como la 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 el carbono atmosférico durante la fotosíntesis, por lo que el nivel de14
El C en las plantas y los animales cuando mueren es aproximadamente igual al nivel de14
C en la atmósfera en ese momento. Sin embargo, disminuye a partir de entonces debido a la desintegración radiactiva, lo que permite estimar la fecha de muerte o fijación.14
El nivel de carbono 14 para el cálculo puede estimarse o compararse directamente con datos conocidos año por año a partir de datos de anillos de árboles ( dendrocronología ) hasta hace 10.000 años (utilizando datos superpuestos de árboles vivos y muertos en un área determinada), o bien a partir de depósitos de cuevas ( espeleotemas ), hasta 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 entonces 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 tala 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 la estratosfera por neutrones térmicos absorbidos por átomos de nitrógeno . Cuando los rayos cósmicos entran en la atmósfera, sufren diversas transformaciones, entre ellas la producción de neutrones . Los neutrones resultantes (n) participan en la siguiente reacción np (p es protón ):
La mayor tasa de producción de carbono-14 tiene lugar a altitudes de 9 a 15 kilómetros (30.000 a 49.000 pies) y en latitudes geomagnéticas altas .
La tasa de14
La producción de C se puede modelar, obteniéndose 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 se puede utilizar para retroceder, [20] pero los intentos de medir el tiempo de producción directamente in situ no fueron muy exitosos. Las tasas de producción varían debido a los cambios en el flujo de rayos cósmicos causados por la modulación heliosférica (viento solar y campo magnético solar) y, de gran importancia, debido a las variaciones en el campo magnético de la Tierra . Sin embargo, los cambios en el ciclo del carbono pueden hacer que tales 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 de 5480 a. C., que es poco probable que sea un evento de partículas energéticas solares. [25]
El carbono 14 también puede ser producido por rayos [26] [27] , pero en cantidades insignificantes, a nivel global, en comparación con la producción de rayos cósmicos. Los efectos locales de la descarga nube-suelo a través de residuos de muestras no están claros, pero posiblemente sean significativos.
El carbono-14 también puede producirse mediante otras reacciones neutrónicas, incluidas en particular13C (n,γ)14
C y17O (n,α)14
C con neutrones térmicos , y15N (n,d)14
C y16En ,3
Él )14
C con neutrones rápidos . [28] Las rutas más notables para14
La producción de C por irradiación de objetivos con neutrones térmicos (por ejemplo, en un reactor nuclear) se resume en la tabla.
El carbono 14 también puede ser radiogénico ( desintegración en cúmulos de223
Ra ,224
Ra ,226
Ra ). Sin embargo, este origen es extremadamente raro.
Las pruebas nucleares sobre la superficie que tuvieron lugar en varios países entre 1955 y 1980 (véase la lista de pruebas nucleares) aumentaron drásticamente 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 esto ha permitido algunas opciones (por ejemplo, la datación por pulsos de bombas [33] ) para determinar el año de nacimiento de un individuo, en particular, la cantidad de carbono-14 en el esmalte dental , [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 proveniente 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 CO2 atmosférico , reportada como la relación entre el carbono-14 y el carbono-12 con respecto a un estándar, ha disminuido ahora (aproximadamente desde el año 2022) a niveles similares a los anteriores a las pruebas nucleares sobre la superficie 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] se diluyen debido al efecto Suess .
El carbono-14 se produce en el refrigerante de los reactores de agua en ebullición (BWR) y de agua a presión (PWR). Normalmente se libera a la atmósfera en forma de dióxido de carbono en los BWR y de metano en los PWR. [41] La mejor práctica para la gestión del carbono-14 por parte de los operadores de las centrales nucleares incluye su liberación por la noche, cuando las plantas no están realizando la fotosíntesis . [42] El carbono-14 también se genera dentro de los combustibles nucleares (en parte debido a la transmutación del oxígeno en el óxido de uranio , pero más significativamente a partir de la transmutación de las impurezas del nitrógeno-14), y si el combustible gastado se envía a reprocesamiento nuclear , entonces el carbono-14 se libera, por ejemplo, como CO2 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 lo tanto, permea los océanos , pero a un ritmo más lento. [21] La vida media atmosférica para la eliminación de14
CO
2Se ha estimado que la transferencia de bicarbonatos entre la capa superficial del océano y el gran depósito de bicarbonatos en las profundidades del océano dura aproximadamente entre 12 y 16 años. [29]
En 2009, la actividad de14
El C era de 238 Bq por kg de carbono de biomateria terrestre fresca, cerca de los valores anteriores a las pruebas nucleares atmosféricas (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]
Muchos productos químicos fabricados por el hombre se derivan de combustibles fósiles (como el petróleo o el carbón ) en los que14
El carbono está muy agotado porque la edad de los fósiles excede con creces la vida media de14
C . La relativa ausencia de14
CO
2Por lo tanto, se utiliza para determinar la contribución relativa (o relación de mezcla ) de la oxidación de combustibles fósiles al dióxido de carbono total en una región determinada de la atmósfera de la Tierra . [48]
La datación de una muestra específica de material carbonoso fosilizado es más complicada. Dichos depósitos a menudo contienen 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
N (n,p)14
Reacción de C , desintegración directa del uranio (aunque se han informado proporciones medidas de14
La relación C /U en los minerales que contienen uranio [50] implicaría aproximadamente 1 átomo de uranio por cada dos átomos de carbono para provocar 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 descomposición de material radiactivo en los estratos geológicos circundantes. En relación con la construcción del observatorio de neutrinos solares Borexino , la materia prima de petróleo (para sintetizar el centelleador primario) se obtuvo con bajo14
Contenido de C. En la instalación de prueba de conteo de Borexino, un14
C /12
Se determinó una relación C de 1,94×10 −18 ; [51] reacciones probables responsables de diversos niveles de14
C en diferentes yacimientos de petróleo , y la inferior14
Los niveles de C en el metano han sido analizados por Bonvicini et al. [52]
Dado que muchas fuentes de alimentación humana se 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 tasas de desintegración del potasio-40 y el 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] Esta es una cantidad pequeña 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 del aliento con urea , una prueba diagnóstica para Helicobacter pylori , se administra al paciente urea marcada con aproximadamente 37 kBq (1,0 μCi ) de carbono-14 (es decir, 37 000 desintegraciones por segundo). En caso de infección por H. pylori , la enzima ureasa bacteriana descompone la urea en amoníaco y dióxido de carbono marcado radiactivamente , que se puede detectar mediante un recuento de bajo nivel del aliento del paciente. [55]
Todo el resto del dióxido de carbono atmosférico proviene de fuentes jóvenes, es decir, cambios en el uso de la tierra (por ejemplo, talar un bosque para crear una granja) e intercambio con el océano y la biosfera terrestre. Esto hace que el 14C sea un trazador ideal del dióxido de carbono proveniente de la combustión de combustibles fósiles. Los científicos pueden usar 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.