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Articulo de referencia

Carbono-14

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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 . 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. Su presencia en la materia orgánica es la base del método de datación por radiocarbono desarrollado por Willard Libby y sus colegas (1949) para datar muestras arqueológicas, geológicas e hidrogeológicas. [ 4 ]

En la Tierra existen tres isótopos naturales de carbono: el carbono-12 ( ¹²C ), que constituye el 99% del carbono terrestre; el carbono-13 ( ¹³C ), que constituye el 1%; y el carbono-14 ( ¹⁴C ), presente en cantidades ínfimas, aproximadamente 1,2 [ 5 ] átomos por cada 10¹² átomos de carbono en la atmósfera. Tanto el ¹²C como el ¹³C son estables; el ¹⁴C es inestable, con una vida media de .5700 ± 30 años, desintegrándose en nitrógeno-14 ( 14N ) a través de la desintegración beta . [ 6 ] El carbono-14 puro tendría una actividad molar de 62,4  mCi/mmol (2,31  GBq/mmol), o una actividad específica de 164,9  GBq/g. [ 7 ] 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 reservorio.

Los distintos isótopos del carbono no difieren apreciablemente en sus propiedades químicas. Esta similitud se utiliza en la investigación química y biológica, en una técnica denominada marcaje isotópico con carbono : los átomos de carbono-14 pueden utilizarse para sustituir al carbono no radiactivo, con el fin de rastrear reacciones químicas y bioquímicas que involucren átomos de carbono de cualquier compuesto orgánico.

Desintegración radiactiva y detección

El carbono-14 sufre desintegración beta :

14 6 C→ 14 7 N+mi−+ νe + 0,1565 MeV

Al emitir un electrón y un antineutrino electrónico , uno de los neutrones en el 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 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 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. Las pequeñas cantidades de carbono-14 no son fácilmente detectadas por los detectores Geiger-Müller (GM) típicos ; se estima que los detectores GM normalmente no detectarán contaminación de menos de aproximadamente 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 en la muestra y no solo los pocos que se desintegran durante las mediciones; por lo tanto, puede utilizarse con muestras mucho más pequeñas (tan pequeñas como semillas de plantas individuales) y proporciona resultados mucho más rápidamente. La eficiencia de conteo GM se estima en un 3 %. La capa semirreductora en agua es de 0,05  mm. [ 10 ]

datación por radiocarbono

La datación por radiocarbono es un método radiométrico que utiliza 14C para determinar la edad de materiales carbonáceos de hasta aproximadamente 60 000 años. La técnica fue desarrollada por Willard Libby y sus colegas en 1949 [ 11 ] durante su etapa como profesor en la Universidad de Chicago . Libby estimó que la radiactividad del 14C intercambiable sería de aproximadamente 14 desintegraciones por minuto (dpm) por gramo de carbono, y este valor se sigue utilizando como la actividad del estándar moderno de radiocarbono . [ 12 ] [ 13 ] En 1960, Libby recibió el Premio Nobel de Química por este trabajo. [ 14 ]

Uno de los usos frecuentes de la técnica es datar 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 al morir es aproximadamente igual al nivel de 14 C en la atmósfera en ese momento. Sin embargo, posteriormente disminuye exponencialmente, por lo que se puede estimar la fecha de muerte o fijación. El nivel inicial de 14 C para el cálculo puede estimarse o compararse directamente con datos conocidos año tras 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 precisamente) 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 edad conocida, proporciona entonces la edad de la muestra de madera o animal desde su formación. El radiocarbono también se utiliza para detectar perturbaciones en ecosistemas naturales; Por ejemplo, en los paisajes de turberas , el radiocarbono puede indicar que el carbono que antes estaba almacenado en suelos orgánicos se está liberando debido a la deforestación o al cambio climático. [ 15 ] [ 16 ]

Los nucleidos cosmogénicos también se utilizan como datos indirectos para caracterizar la actividad solar y de partículas cósmicas del pasado distante. [ 17 ] [ 18 ]

Origen

Producción natural en la atmósfera

1: Formación de 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 el C-14 se desintegra (Ver 2).

El carbono-14 se produce en la troposfera superior y la estratosfera por la absorción de neutrones térmicos por átomos de nitrógeno . Cuando los rayos cósmicos entran en la atmósfera, sufren diversas transformaciones, incluida la producción de neutrones . Los neutrones resultantes (n) participan en la siguiente reacción np (p es protón ):

14 7 N+ n → 14 6 C+ p + 0,626 MeV

La mayor tasa de producción de carbono-14 se produce a altitudes de 9 a 15 kilómetros (30.000 a 49.000 pies) y en latitudes geomagnéticas elevadas . 

La tasa de producción de 14C se puede modelar, obteniéndose valores de 16.400 [ 19 ] o 18.800 [ 20 ] átomos de 14C.C por segundo por metro cuadrado de superficie terrestre, lo que concuerda con el presupuesto global de carbono que puede usarse para retroceder, [ 21 ] pero los intentos de medir el tiempo de producción directamente in situ no fueron muy exitosos. 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. [ 21 ] [ 22 ] Pueden ocurrir picos ocasionales, conocidos como eventos Miyake ; por ejemplo, hay evidencia de una tasa de producción inusualmente alta en 774-775 d.C. , [ 23 ] causada por un evento extremo de partículas energéticas solares, el evento más fuerte de este tipo que ha ocurrido en los últimos diez milenios. [ 24 ] [ 25 ] Otro aumento "extraordinariamente grande" de 14 C (2%) se ha asociado con un  evento de 5480 a. C., que es improbable que sea un evento de partículas energéticas solares. [ 26 ] El mayor evento de Miyake conocido tuvo lugar alrededor de 12350 a. C. [ 27 ]

El carbono-14 también puede ser producido por rayos [ 28 ] [ 29 ] , pero en cantidades insignificantes, a nivel global, en comparación con la producción de rayos cósmicos. Los efectos locales de la descarga nube-tierra a través de los residuos de las muestras no están claros, pero posiblemente sean significativos.

Otras fuentes de carbono-14

El carbono-14 también puede producirse 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 . [ 30 ] Las rutas más notables para la producción de 14 C mediante irradiación de blancos con neutrones térmicos (por ejemplo, en un reactor nuclear) se resumen en la tabla.

Otra fuente de carbono-14 son las ramas de desintegración de cúmulos a partir de trazas de isótopos de radio que se encuentran en la naturaleza , 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.

Formación durante las pruebas nucleares

14 C atmosférico , Nueva Zelanda [ 32 ] y Austria . [ 33 ] 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. [ 34 ] PTBT = Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares .

Las pruebas nucleares atmosféricas que tuvieron lugar en varios países entre 1955 y 1980 (véase la Lista de pruebas nucleares ) aumentaron drásticamente la cantidad de 14C en la atmósfera y, posteriormente, en la biosfera; tras finalizar las pruebas, la concentración atmosférica del isótopo comenzó a disminuir, a medida que el CO2 radiactivo se fijaba en los tejidos vegetales y animales y se disolvía en los océanos.

Un efecto secundario del cambio en el 14C atmosférico es que esto ha permitido algunas opciones (por ejemplo, la datación por pulsos de bombas [ 35 ] ) para determinar el año de nacimiento de un individuo, en particular, la cantidad de 14C en el esmalte dental , [ 36 ] [ 37 ] o la concentración de carbono-14 en el cristalino del ojo. [ 38 ]

En 2019, Scientific American informó que se ha 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. [ 39 ]

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 en superficie de las décadas de 1950 y 1960. [ 40 ] [ 41 ] Aunque el 14 C adicional generado por esas pruebas nucleares no ha desaparecido de la atmósfera, los océanos y la biosfera, [ 42 ] 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 los reactores 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. [ 43 ] La mejor práctica para la gestión del carbono-14 por parte de los operadores de centrales nucleares incluye liberarlo por la noche, cuando las plantas no realizan la fotosíntesis . [ 44 ] El carbono-14 también se genera dentro de los combustibles nucleares (parte debido a la transmutación del oxígeno en el óxido de uranio , pero principalmente a partir de la transmutación de impurezas de nitrógeno-14), y si el combustible gastado se envía a reprocesamiento nuclear, entonces el 14 C se libera, por ejemplo, como CO 2 durante PUREX . [ 45 ] [ 46 ]

Aparición

Dispersión en el medio ambiente

Después de su 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 formar 14CO2 , dióxido de carbonoradiactivo. El gas se mezcla rápidamente y se distribuye uniformemente por toda la atmósfera (el tiempo de mezcla es del orden de semanas). El dióxido de carbono también se disuelve en agua y, por lo tanto, impregna losocéanos, pero a un ritmo más lento. [ 22 ] La vida media atmosférica para la eliminación de 14COSe ha estimado que 2 es aproximadamente de 12 a 16 años en el hemisferio norte. La transferencia entre la capa superficial del océano y el gran reservorio de bicarbonatosen las profundidades oceánicas ocurre a una tasa limitada. [ 31 ] En 2009 la actividad de 14El C fue de 238  Bq por kg de carbono de materia biológica terrestre fresca, cercano a los valores anteriores a las pruebas nucleares atmosféricas (226 Bq/kg C; 1950). [ 47 ]

Inventario total

El inventario de carbono-14 en la biosfera terrestre es de aproximadamente 300 megacurios (11 E Bq ), de los cuales la mayor parte se encuentra en los océanos. [ 48 ] Se ha proporcionado el siguiente inventario de carbono-14: [ 49 ] 

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

En combustibles fósiles

Muchos productos químicos artificiales se derivan de combustibles fósiles (como el petróleo o el carbón ) en los que el 14C está muy agotado porque la edad de los fósiles supera con creces la vida media del 14C . La ausencia relativa de 14CCOPor lo tanto, 2 se utiliza para determinar la contribución relativa (orelación de mezcla) de la oxidación de combustibles fósiles aldióxido de carbonoatmósferaterrestre. [ 50 ]

Datar una muestra específica de material carbonáceo fosilizado es más complicado. Estos depósitos suelen contener cantidades traza de 14C . 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). [ 51 ] Esto puede indicar contaminación por pequeñas cantidades de bacterias, fuentes subterráneas de radiación que causan una reacción 14N (n,p) 14C , desintegración directa del uranio (aunque las proporciones medidas de 14C /U reportadas en minerales que contienen uranio [ 52 ] implicarían aproximadamente 1 átomo de uranio por cada dos átomos de carbono para causar la proporción 14C / 12C , medida en el orden de 10 −15 ), u otras fuentes secundarias desconocidas de producción de 14C . La presencia de 14C en la firma isotópica de una muestra de material carbonáceo 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 la síntesis del centelleador primario) con bajo contenido de 14C . En la instalación de prueba de conteo de Borexino, se determinó una relación 14C / 12C de 1,94 × 10⁻¹⁸ ; [ 53 ] Bonvicini et al. han discutido las reacciones probables responsables de los diferentes niveles de 14C en distintos yacimientos de petróleo y los niveles más bajos de 14C en el metano. [ 54 ]

En el cuerpo humano

Dado que muchas fuentes de alimento humano se derivan en última instancia de plantas terrestres, la concentración relativa de 14C en el cuerpo humano es casi idéntica a la concentración relativa en la atmósfera. Las tasas de desintegración del potasio-40 ( 40K ) y del 14C en el cuerpo de un adulto normal son comparables (unos pocos miles de desintegraciones por segundo). [ 55 ] Sin embargo, debido a las diferentes energías de desintegración, el K-40 produce una dosis interna de aproximadamente 0,17  mSv/año y el C-14 de 0,012  mSv/año. [ 56 ]

El 14C puede utilizarse como trazador radiactivo en medicina. En la variante inicial de la prueba de aliento con urea , una prueba diagnóstica para Helicobacter pylori , se administra al paciente urea marcada con aproximadamente 37 kBq (1,0 μCi ) de 14C (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 puede detectarse mediante el recuento de niveles bajos en el aliento del paciente. [ 57 ]  

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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