Carbono-14

El carbono-14 (C), o radiocarbono, es un isótopo radiactivo de 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 fechar 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.

Hay tres isótopos naturales de carbono en la Tierra: carbono-12, que constituye el 99% de todo el carbono en la Tierra; carbono-13, que constituye el 1%; y el carbono-14, que se presenta en pequeñas cantidades, constituyendo alrededor de 1 o 1,5 átomos por cada 10 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 de 5730 ± 40 años. El carbono-14 se desintegra en nitrógeno-14 a través de la desintegración beta. Un gramo de carbono que contenga 1 átomo de carbono-14 por cada 10 átomos emitirá ~0,2 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 este grupo.

Los diferentes isótopos de carbono no difieren apreciablemente en sus propiedades químicas. Esta semejanza se usa en la investigación química y biológica, en una técnica llamada marcaje de carbono: los átomos de carbono-14 se pueden usar para reemplazar el carbono no radiactivo, para rastrear reacciones químicas y bioquímicas que involucran átomos de carbono de cualquier compuesto orgánico dado.

Decaimiento radiactivo y detección

El carbono-14 pasa por la desintegración beta radiactiva:₆C→₇norte+mi+v_mi+ 156,5 keV

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 5730 ± 40 años) se desintegra en el isótopo estable (no radiactivo) nitrógeno- 14

Como es habitual con la desintegración beta, casi toda la energía de desintegración se la lleva 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. Estas son energías relativamente bajas; la distancia máxima recorrida se estima en 22 cm en el aire y 0,27 mm en el tejido corporal. La fracción de la radiación transmitida a través de la capa de piel muerta se estima en 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 100.000 desintegraciones por minuto (0,05 µCi). El conteo de centelleo líquido es el método preferido.La eficiencia de conteo de GM se estima en un 3%. La capa de media distancia en el agua es de 0,05 mm.

Datación por radiocarbono

La datación por radiocarbono es un método de datación radiométrica que utiliza (C) para determinar la edad de los materiales carbonosos hasta aproximadamente 60 000 años. La técnica fue desarrollada por Willard Libby y sus colegas en 1949 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 usa como la actividad del estándar de radiocarbono moderno. 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 de C en plantas y animales cuando mueren es aproximadamente igual al nivel de 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. La inicialEl nivel de C para el cálculo puede estimarse o compararse directamente con datos año por año conocidos 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 de depósitos de cuevas (espeleotemas), de 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 niveles de carbono-14 en anillos de árboles o depósitos de cuevas de una edad conocida, da la edad de la muestra de madera o animal desde su formación. 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 antes estaba almacenado en suelos orgánicos se está liberando debido a la limpieza de tierras o al cambio climático.

Los nucleidos cosmogénicos también se utilizan como datos indirectos para caracterizar la actividad solar y de partículas cósmicas del pasado lejano.

Origen

Producción natural en la atmósfera.

El carbono-14 se produce en las capas superiores de la troposfera y la estratosfera por los neutrones térmicos absorbidos por los átomos de nitrógeno. Cuando los rayos cósmicos ingresan a la atmósfera, sufren varias transformaciones, incluida la producción de neutrones. Los neutrones resultantes (n) participan en la siguiente reacción np:₇norte+ norte →₆C+ pag

La tasa más alta de producción de carbono-14 tiene lugar en altitudes de 9 a 15 km (30 000 a 49 000 pies) y en latitudes geomagnéticas altas.

La tasa de producción de C se puede modelar, arrojando valores de 16 400 o 18 800 átomos de C por segundo por metro cuadrado de la superficie de la Tierra, lo que concuerda con el presupuesto global de carbono que se puede usar para retroceder, pero intenta medir el tiempo de producción directamente. in situ no tuvieron mucho éxito. Las tasas de producción varían debido a cambios en el flujo de rayos cósmicos causados ​​por la modulación heliosférica (viento solar y campo magnético solar) y, de gran importancia, debido a variaciones en el campo magnético terrestre. Sin embargo, los cambios en el ciclo del carbono pueden hacer que tales efectos sean difíciles de aislar y cuantificar. Pueden ocurrir picos ocasionales; por ejemplo, hay evidencia de una tasa de producción inusualmente alta en 774-775 d.C.,causado por un evento de partículas energéticas solares extremas, el más fuerte de los últimos diez milenios. Otro aumento de C "extraordinariamente grande" (2%) se ha asociado con un evento de 5480 aC, que es poco probable que sea un evento de partículas de energía solar.

El carbono-14 también puede ser producido por rayos, pero en cantidades insignificantes, a nivel mundial, en comparación con la producción de rayos cósmicos. Los efectos locales de la descarga nube-suelo a través de los residuos de la muestra no están claros, pero posiblemente sean significativos.

Otras fuentes de carbono-14

El carbono-14 también se puede producir mediante otras reacciones de neutrones, incluidas en particular C(n,γ) C y O(n,α) C con neutrones térmicos, y N(n,d) C y O(n, He) C con neutrones rápidos. Las rutas más notables para la producción de C por irradiación térmica de neutrones de objetivos (p. ej., en un reactor nuclear) se resumen en la tabla.

El carbono-14 también puede ser radiogénico (desintegración de grupos de Ra, Ra, Ra). Sin embargo, este origen es extremadamente raro.

Isótopo padre	Abundancia natural, %	Sección transversal para captura de neutrones térmicos, b	Reacción
norte	99.634	1.81	N(n, p) C
C	1.103	0.0009	C(n,γ) C
O	0.0383	0.235	O(n,a) C

Formación durante las pruebas nucleares

Las pruebas nucleares sobre el suelo que ocurrieron en varios países entre 1955 y 1980 (ver la lista de pruebas nucleares) aumentaron dramáticamente la cantidad de carbono-14 en la atmósfera y posteriormente en la biosfera; Después de que terminaron las pruebas, la concentración atmosférica del isótopo comenzó a disminuir, ya que el CO ₂ radiactivo se fijó en los tejidos de plantas y animales y se disolvió en los océanos.

Un efecto secundario del cambio en el carbono-14 atmosférico es que esto ha permitido algunas opciones (por ejemplo, datación por pulso de bomba) para determinar el año de nacimiento de un individuo, en particular, la cantidad de carbono-14 en el esmalte dental, o la concentración de carbono-14 en el cristalino del ojo.

En 2019, Scientific American informó que se encontró carbono-14 de las 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.

Emisiones de centrales nucleares

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. La mejor práctica para el manejo del carbono-14 por parte de los operadores de plantas de energía nuclear incluye liberarlo por la noche, cuando las plantas no están realizando la fotosíntesis. El carbono-14 también se genera dentro de los combustibles nucleares (algunos debido a la transmutación del oxígeno en el óxido de uranio, pero más significativamente a partir de la transmutación de las impurezas de nitrógeno-14), y si el combustible gastado se envía a reprocesamiento nuclear, entonces se libera el carbono-14., por ejemplo como CO ₂ durante PUREX.

Ocurrencia

Dispersión en el medio ambiente

Después de la producción en la atmósfera superior, los átomos de carbono-14 reaccionan rápidamente para formar principalmente (alrededor del 93%) CO (monóxido de carbono), que posteriormente se oxida a un ritmo más lento para formar CO2, 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, impregna los océanos, pero a un ritmo más lento. Se ha estimado que la vida media atmosférica para la eliminación de CO ₂ es de aproximadamente 12 a 16 años en el hemisferio norte. La transferencia entre la capa poco profunda del océano y la gran reserva de bicarbonatos en las profundidades del océano ocurre a un ritmo limitado. En 2009 la actividad deC era 238 Bq por kg de carbono de biomateria terrestre fresca, cerca de los valores antes de las pruebas nucleares atmosféricas (226 Bq/kg C; 1950).

Inventario total

El inventario de carbono-14 en la biosfera de la Tierra es de unos 300 megacurios (11 EBq), de los cuales la mayor parte se encuentra en los océanos. Se ha dado el siguiente inventario de carbono-14:

• Inventario global: ~8500 PBq (alrededor de 50 t)
  • Atmósfera: 140 PBq (840 kg)
  • Materiales terrestres: el equilibrio
• De pruebas nucleares (hasta 1990): 220 PBq (1,3 t)

En combustibles fósiles

Muchas sustancias químicas creadas por el hombre se derivan de combustibles fósiles (como el petróleo o el carbón) en los que el C se agota en gran medida porque la edad de los fósiles supera con creces la vida media del C. Por lo tanto, se utiliza CO ₂, o mejor dicho, su ausencia relativa. para determinar la contribución relativa (o proporción de mezcla) de la oxidación de combustibles fósiles al dióxido de carbono total en una región determinada de la atmósfera terrestre.

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 las muestras, llegando hasta el 1% de la proporción que se encuentra en los organismos vivos, una concentración comparable a una edad aparente de 40.000 años. Esto puede indicar una posible contaminación por pequeñas cantidades de bacterias, fuentes subterráneas de radiación que causan la reacción N(n,p) C, desintegración directa del uranio (aunque las proporciones medidas de C/U en los minerales que contienen uranio implicarían aproximadamente 1 átomo de uranio por cada dos átomos de carbono para causar la relación C/ C, medida en el orden de 10), 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 del 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 bajo contenido de C. En la instalación de prueba de conteo de Borexino, se determinó una relación C/ C de 1,94 × 10; Las probables reacciones responsables de los variados niveles de C en diferentes yacimientos de petróleo y los niveles más bajos de C en el metano han sido discutidas por Bonvicini et al.

En el cuerpo humano

Dado que muchas fuentes de alimento humano se derivan en última instancia de las plantas terrestres, la concentración relativa de carbono-14 en nuestros cuerpos es casi idéntica a la concentración relativa en la atmósfera. Las tasas de desintegración de potasio-40 y carbono-14 en el cuerpo adulto normal son comparables (unos pocos miles de núcleos desintegrados por segundo). Las desintegraciones beta del radiocarbono externo (ambiental) aportan aproximadamente 0,01 mSv/año (1 mrem/año) a la dosis de radiación ionizante de cada persona. 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 marcador 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 se puede detectar mediante un recuento de bajo nivel del aliento del paciente. La prueba de aliento con Curea ha sido reemplazada en gran medida por la prueba de aliento con Curea, que no tiene problemas de radiación.