Carbono-14
Isótopo del carbono
Carbono-14, 14do
General
Símbolo14 C
Nombrescarbono-14, 14C, C-14,
radiocarbono
Protones ( Z )6
Neutrones ( N )8
Datos de nucleidos
Abundancia natural1 parte por billón = 1 / 10 12 {\estilo de visualización 1/10^{12}}
Vida media ( t 1/2 )5700 ± 30 años [1]
Masa del isótopo14.0032420 [2] Da
Girar0+
Modos de decaimiento
Modo de decadenciaEnergía de desintegración ( MeV )
Beta0,156476 [2]
Isótopos del carbono
Tabla completa de nucleidos

El 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 materia orgánica 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 que se encuentran de forma natural en la Tierra: el carbono-12 ( 12 C), que constituye el 99% de todo el carbono de la Tierra; el carbono-13 ( 13 C), que constituye el 1%; y el carbono-14 ( 14 C), que se encuentra en cantidades traza, constituyendo aproximadamente entre 1 y 1,5 átomos por cada 10 12 átomos de carbono en la atmósfera. El 12 C y el 13 C son estables; el 14 C es inestable, con una vida media de 10 12 átomos. 5700 ± 30 años. [4] El carbono-14 tiene una actividad específica 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 ) a través de la desintegración beta . [6] Un gramo de carbono que contiene 1 átomo de carbono-14 por cada 10 12 átomos, emite ~0,2 [7] partículas beta (β) 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.

Desintegración radiactiva y detección

El carbono-14 sufre desintegración beta :

14
6C →14
7N + e − +
no
mi+ 156,5 keV

Al emitir un electrón y un antineutrino electrónico , uno de los neutrones del carbono-14 se desintegra en un protón y el carbono-14 ( vida media de5700 ± 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 por 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]

Datación por radiocarbono

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 14 C intercambiable sería de unas 14 desintegraciones por minuto (dpm) por gramo de carbono, 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 de 14 C en plantas y animales cuando mueren, es aproximadamente igual al nivel de 14 C en la atmósfera en ese momento. Sin embargo, a partir de entonces disminuye exponencialmente; por lo que se puede estimar la fecha de muerte o fijación. El nivel inicial de 14 C para el cálculo se puede estimar, o bien comparar 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 14 C 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]

Origen

Producción natural en la atmósfera

1: Formación del carbono-14
2: Desintegración del carbono-14
3: La ecuación "igual" es para organismos vivos, y la desigual es para organismos muertos, en los que luego se desintegra el C-14 (ver 2).

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 ):

14
7N + n →14
6C + p

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 de producción de 14 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 aumento "extraordinariamente grande" de 14 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.

Otras fuentes de carbono-14

El carbono-14 también se puede producir mediante otras reacciones de neutrones, incluyendo en particular 13 C (n,γ) 14 C y 17 O (n,α) 14 C con neutrones térmicos , y 15 N (n,d) 14 C y 16 O (n, 3 He) 14 C con neutrones rápidos . [28] Las rutas más notables para la producción de 14 C por irradiación de objetivos con neutrones térmicos (por ejemplo, en un reactor nuclear) se resumen en la tabla.

Otra fuente de carbono-14 son las ramas de desintegración en racimo a partir de trazas de isótopos naturales del radio , aunque este modo de desintegración tiene una relación de ramificación del orden de10 −8 en relación con la desintegración alfa , por lo que el carbono 14 radiogénico es extremadamente raro.

14 Rutas de producción de C [29]
Isótopo parentalAbundancia natural, %Sección transversal para captura de neutrones térmicos , bReacción
14 N99.6341.8114 N(n,p) 14 C
13 C1.1030,000913 C(n,γ) 14 C
17 O0,03830,23517O (n,α ) 14C

Formación durante las pruebas nucleares

14 C atmosférico , Nueva Zelanda [30] y Austria . [31] La curva de Nueva Zelanda es representativa del hemisferio sur, la curva de Austria es representativa del hemisferio norte. Las pruebas nucleares atmosféricas casi duplicaron la concentración de 14 C del hemisferio norte. [32] PTBT = Tratado de Prohibición Parcial de los Ensayos Nucleares .

Las pruebas nucleares sobre la superficie que tuvieron lugar en varios países entre 1955 y 1980 (véase Lista de pruebas nucleares ) aumentaron drásticamente la cantidad de 14 C 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 14 C atmosférico es que 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 14 C 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 nucleares en animales de una de las regiones más inaccesibles de la Tierra, la Fosa de las Marianas en el Océano Pacífico. [37]

La concentración de 14 C en el CO 2 atmosférico , reportada como la relación 14 C/ 12 C con respecto a un estándar, ha disminuido (desde aproximadamente 2022) a niveles similares a los anteriores a las pruebas nucleares sobre la superficie de los años 1950 y 1960. [38] [39] Aunque el 14 C adicional generado por esas pruebas nucleares no ha desaparecido de la atmósfera, los océanos y la biosfera, [40] se diluye debido al efecto Suess .

Emisiones de las centrales nucleares

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 al aire 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 se libera el 14 C, por ejemplo como CO 2 durante PUREX . [43] [44]

Aparición

Dispersión en el medio ambiente

Después de la producción en la atmósfera superior, el carbono-14 reacciona rápidamente para formar principalmente (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]

Inventario total

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]

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

En combustibles fósiles

Muchos productos químicos fabricados por el hombre se derivan de combustibles fósiles (como el petróleo o el carbón ) en los que el 14 C está muy agotado porque la edad de los fósiles excede con creces la vida media del 14 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]

Datar una muestra específica de material carbonoso fosilizado es más complicado. Dichos depósitos a menudo contienen trazas de 14 C. Estas cantidades pueden variar significativamente entre muestras, llegando hasta el 1% de la proporción encontrada en organismos vivos (una edad aparente de unos 40.000 años). [49] Esto puede indicar contaminación por pequeñas cantidades de bacterias, fuentes subterráneas de radiación que causan una reacción 14 N(n,p) 14 C, desintegración directa del uranio (aunque las proporciones medidas de 14 C/U en minerales que contienen uranio [50] implicarían aproximadamente 1 átomo de uranio por cada dos átomos de carbono para causar la proporción 14 C/ 12 C, medida en el orden de 10 −15 ), u otras fuentes secundarias desconocidas de producción de 14 C. La presencia de 14 C en la firma isotópica de una muestra de material carbonoso posiblemente indique 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 petróleo como materia prima (para sintetizar el centelleante primario) con un bajo contenido de 14 C. En la instalación de prueba de conteo de Borexino, se determinó una relación 14 C/ 12 C de 1,94×10 −18 ; [51] Bonvicini et al. han analizado las reacciones probables responsables de los distintos niveles de 14 C en diferentes yacimientos de petróleo y de los niveles más bajos de 14 C en el metano. [52]

En el cuerpo humano

Dado que muchas fuentes de alimentación humana se derivan en última instancia de plantas terrestres, la concentración relativa de 14 C en los cuerpos humanos es casi idéntica a la concentración relativa en la atmósfera. Las tasas de desintegración del potasio-40 ( 40 K) y 14 C en el cuerpo adulto normal son comparables (unos pocos miles de desintegraciones 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 40 K (0,39 mSv/año) y radón (variable).

El 14 C 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 14 C (es decir, 37 000 desintegraciones por segundo). En 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. [55]

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

  • Kamen MD (1985). Ciencia radiante, política oscura: memorias de la era nuclear . Berkeley: University of California Press. ISBN 978-0-520-04929-1.


Encendedor:
carbono-13 		El carbono-14 es un
isótopo del carbono.		Más pesado:
carbono-15
Producto de desintegración de:
boro-14 , nitrógeno-18 		Cadena
de desintegración del carbono 14		Se desintegra en:
nitrógeno-14
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