Carbono-14

Carbono-14

El carbono-14, ¹⁴C o radiocarbono és un isòtop radiactiu del carbono que el seu núcleu conté 6 protones i 8 neutrons. Es desintegra produint radiació beta, en un periodo de semidesintegración o semivida de 5730 anys.

Per la seua presència en tots els materials orgànics, el carbono-14 s'ampra en arqueologia per a la datació de espècimen orgànics, entre atres aplicacions.

Va ser descobert el 27 de febrer de 1940 per Martin Kamen i Sam Ruben. Willard Libby va determinar un valor de 5568 anys per al periodo de semidesintegración, que posteriorment va ser corregit en l'Universitat de Cambridge a 5730 anys.

Este es basa que tots els sers vius absorbixen a lo llarc de la seua vida un isòtop radioactivo de carbono (carbono 14).

Formació

Orige natural

Els rajos còsmics d'alta energia (principalment protones) que procedixen de fòra del sistema solar impacten en àtoms presents en l'alta atmòsfera de la Terra, principalment nitrogen i oxigen, fent que es desintegren en partícules subatòmiques, com protones i neutrons. Els neutrons aixina produïts, en alcançar altituts entre 15 i 9 km de la superfície terrestre, i en latitut geomagnètiques altes, colisionen en els àtoms de nitrogen originant les denominades reaccions (n,p):

¹⁴₇N + n → ¹⁴₆C + p

El carbono-14 també pot ser produït per rajos en les tormentes, pero en cantitats insignificants a nivell mundial, en comparació a la producció per rajos còsmics. 

Es coneixen atres reaccions de neutrons capaços de generar carbono-14:

En neutrons tèrmics:

¹³C(n,γ) → ¹⁴C

¹⁷O(n,α) → ¹⁴C

En neutrons ràpits:

¹⁵N(n,d) → ¹⁴C

¹⁶O(n,³He) → ¹⁴C .

També pot tindre font radiogénica: el “cluster decay” del radón ²²³Ra, ²²⁴Ra, ²²⁶Ra. Per eixemple:

²²³₈₈Ra → ¹⁴ ₆C + ²⁰⁹₈₂Pb

Este orige és extremadament rar.

Explosions nuclears

Les explosions de bombes nuclears produïxen grans cantitats de neutrons que, en chocar en àtoms de nitrogen en l'atmòsfera, produïxen carbono-14. Per això, els ensajos de bombes nuclears portats a terme per varis països sobretot en els anys 1950 i 1960 varen aumentar extraordinàriament la cantitat de carbono-14 en l'atmòsfera i posteriorment en la biosfera.

Generació en centrals nuclears

Es forma carbono-14 en els refrigerantes de reactors nuclears tant d'aigua en ebullició (BWR) com d'aigua a pressió (PWR). Per lo general, es llibera a l'atmòsfera en forma de diòxit de carbono en els BWR i metà en els PWR.

El carbono-14 també es genera dins dels combustibles nuclears. En part es deu a la transmutació de l'oxigen en l'òxit d'urani, pero més significativament a partir de la transmutació de les impurees de nitrogen-14. Si el combustible gastat s'envia a reprocesamiento nuclear, llavors el carbono-14 es llibera com CO₂.

En 2020 es va estimar que per llavors la producció de carbono-14 per les centrals nuclears equivalia a un 10% de la producció natural per rajos còsmics.

Datació per radiocarbono

Artícul principal → Datació per radiocarbono.

El método de datació per radiocarbono és la tècnica basada en isòtops més fiable per a determinar l'edat de mostres orgàniques de menys de 50 000 anys. Està basat en la llei de decaiguda exponencial dels isòtops radiactius. l'isòtop carbono-14 (¹⁴C) és produït de forma contínua en l'atmòsfera com a conseqüència del bombardeig d'àtoms de nitrogen per rajos còsmics. Este isòtop creat és inestable, per lo que, espontàneament, es transmuta en nitrogen-14 (¹⁴N). Estos processos de generació-degradació de ¹⁴C es troben pràcticament equilibrats, de manera que l'isòtop es troba homogéneamente mesclat en els àtoms no radiactius en el diòxit de carbono de l'atmòsfera. El procés de fotosíntesis incorpora l'àtom radiactiu en les plantes, de manera que la proporció ¹⁴C/¹²C en estes és similar a l'atmosfèrica. Els animals incorporen, per ingestió, el carbono de les plantes. Ara be, despuix de la mort d'un organisme viu no s'incorporen nous àtoms de ¹⁴C als teixits, i la concentració de l'isòtop va decreixent conforme va transformant-se en ¹⁴N per decaiguda radiactiva.

La massa en isòtop ¹⁴C de qualsevol espècimen disminuïx a un ritme exponencial, que és conegut: als 5730 anys de la mort d'un ser viu la cantitat de ¹⁴C en els seus restants s'ha reduït a la mitat. Aixina que, en medir la cantitat de radiactivitat en una mostra d'orige orgànic, es calcula la cantitat de ¹⁴C que encara queda en el material. Aixina pot ser datat el moment de la mort de l'organisme corresponent. És lo que es coneix com "edat radiocarbónica" o de ¹⁴C, i s'expressa en anys BP (Before Present, Abans del present). Esta escala equival als anys transcorreguts des de la mort de l'eixemplar fins a l'any 1950 del nostre calendari. S'elegix esta data per conveni i perque en la segona mitat de el XX els ensajos nuclears varen provocar auments dràstics de la concentració de ¹⁴C en l'atmòsfera.

En comparar les concentracions teòriques de ¹⁴C en les de mostres de fustes d'edats conegudes per mig de dendrocronología, es va descobrir que existien diferències en els resultats esperats. Eixes diferències es deuen a que la concentració de carbono radiactiu en l'atmòsfera ha anat variant a lo llarc del temps. Hui es coneix en suficient precisió (un marge d'error d'entre 1 i 10 anys) l'evolució de la concentració de ¹⁴C en els últims 15 000 anys, per lo que pot corregir-se eixa estimació d'edat comparant-ho en curves obtingudes per mig d'interpolació de senyes conegudes. L'edat aixina trobada es denomina "edat calibrada" i s'expressa en anys Calç BP.