El carbono-14

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(Primera contribución de El neutrino a la XXXIX edición del Carnaval de la Física, organizada por El zombi de Schrödinger y a la XXII edición del Carnaval de Química, organizada por Roskiencia y segunda a la XXI edición del Carnaval de Biología, organizada por La Enciclopedia Galáctica)

(Actualización de las entradas publicadas en septiembre de 2010.)

Los elementos químicos se distinguen unos de otros por su número atómico, el número de protones o de electrones que contienen sus átomos. Como los átomos son neutros, el número de protones, que tienen carga eléctrica positiva, es igual al número de electrones, con carga eléctrica negativa. Así, el átomo de hidrógeno está formado por un protón y un electrón, mientras que el de carbono contiene seis protones y seis electrones. Casi todos los átomos contienen además otras partículas llamadas neutrones, que carecen de carga eléctrica y son necesarias para la estabilidad del núcleo atómico. Para un mismo elemento químico, pueden existir diferentes versiones de sus átomos, con diferente número de neutrones; son los llamados isótopos.

Existen tres isótopos naturales del carbono: el carbono-12, con seis neutrones, el carbono-13, con siete, y el carbono-14, con ocho neutrones. Se han creado otros isótopos artificialmente, pero son muy inestables y sólo existen durante unos pocos segundos o menos. El número en el nombre del isótopo representa el número de partículas, protones y neutrones, en su núcleo. Por ejemplo, el carbono-14 tiene seis protones, como todos los átomos de carbono, y ocho neutrones. Seis más ocho, catorce.

De los tres isótopos naturales del carbono, sólo el carbono-14 es inestable; cuando se desintegra, uno de sus neutrones se transforma en un protón mediante la emisión de un electrón y un antineutrino. Así, el carbono-14, con seis protones y ocho neutrones, se convierte en nitrógeno-14, con siete protones y siete neutrones.

De acuerdo con las leyes que gobiernan la radiactividad, el tiempo que tarda un número dado de átomos de un isótopo radiactivo en reducirse a la mitad es una constante independiente del tamaño de la muestra; es lo que se llama periodo de semidesintegración o semivida del isótopo. Para el carbono-14, la semivida es de 5.730 años. Dada una muestra con N átomos de carbono-14, al cabo de 5.730 años sólo quedarán N/2; después de otros 5.730 años, el número se habrá reducido a N/4; y así sucesivamente.

¿Cómo es posible entonces que, después de los miles de millones de años que tiene la Tierra, quede bastante carbono-14 para poder detectarlo? Lo que ocurre es que el carbono-14 se produce de manera natural en las capas altas de la atmósfera por la interacción de los rayos cósmicos con los átomos del aire. Entre la multitud de partículas que los rayos cósmicos generan en la atmósfera, se producen neutrones. Cuando uno de esos neutrones choca contra un átomo de nitrógeno-14 puede desplazar y sustituir en su núcleo a un protón, y de esta manera el átomo se convierte en carbono-14.

El carbono-14 así producido se esparce por la atmósfera y reacciona con el oxígeno para formar dióxido de carbono. Las plantas, en la fotosíntesis, absorben ese dióxido de carbono radiactivo; de esta manera, el carbono-14 entra en la cadena alimentaria. La proporción de carbono-14 en los seres vivos es similar a la atmosférica: aproximadamente, uno de cada billón de átomos de carbono es carbono-14.

El hombre de Borum Eshøj, de la Edad del Bronce,
conservado en el Museo Nacional de Copenhague
(Sven Rosborn, 2008)

Cuando mueren, los seres vivos dejan de incorporar carbono-14 a sus tejidos, y los átomos existentes se van desintegrando. Como la proporción inicial de carbono-14 es conocida, es posible determinar el tiempo transcurrido desde la muerte de un ser vivo midiendo la proporción de carbono-14 contenido en sus restos. Así se puede medir la antigüedad de todo tipo de materiales orgánicos, como tejidos, maderas, marfiles, conchas, etc. Este método de datación fue desarrollado en 1949 por el químico estadounidense Willard Libby, que recibió por ello el Premio Nobel de Química en 1960.

En realidad, la concentración de carbono-14 en la atmósfera no ha sido constante a lo largo del tiempo, pero comparando los resultados con otros métodos de datación, como la dendrocronología (el estudio de los anillos de crecimiento de los árboles), se han establecido unas curvas de calibración para el carbono-14 que permiten obtener la edad de una muestra con una precisión de unos cuarenta años.

El método de datación del carbono-14 sólo es aplicable a restos orgánicos de hasta 60.000 años de antigüedad. En restos más antiguos, la cantidad de carbono-14 presente es demasiado pequeña para obtener resultados precisos. Para materiales inorgánicos, y para muestras más antiguas, la datación se realiza de modo análogo utilizando otros isótopos radiactivos de semivida más larga, como el uranio-235, el uranio-238, el rubidio-87, el potasio-40, etc.

Para las dataciones con carbono-14 de muestras antiguas se toma como punto de referencia el año 1950; después de ese año, los ensayos nucleares duplicaron la concentración natural de carbono-14 en la atmósfera; tomar como referencia fechas posteriores complicaría enormemente la calibración de los datos. En el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE.UU. se almacena un patrón de referencia en forma de ácido oxálico cuyo contenido de carbono-14 es equivalente al de un trozo de madera de 1950. Desde la interrupción de esos ensayos nucleares, la disminución de la concentración de carbono-14 en la atmósfera ha sido muy regular, lo que permite fechar con mucha precisión también ciertos productos orgánicos recientes, como por ejemplo los vinos. Es posible determinar con exactitud la cosecha de un vino por su contenido en carbono-14, o el año de nacimiento de una persona por el contenido de carbono-14 del esmalte de los dientes o de las lentes del ojo.

Explosión nuclear en el atolón Bikini
(US Department of Energy, 1954)

Además del efecto de las explosiones nucleares en la concentración de carbono-14 en la atmósfera, otros muchos efectos pueden alterar el resultado de una datación mediante el carbono-14:

La interacción de la circulación global de las aguas marinas con la absorción del carbono atmosférico por los océanos hace que el carbono contenido en las aguas superficiales parezca unos cuatrocientos años “más viejo” que el de la atmósfera, con grandes variaciones regionales en las que influyen factores como la lluvia, el aporte de agua dulce por ríos... Esto complica, por ejemplo, la datación de huesos humanos en los yacimientos arqueológicos costeros cuando una parte de la alimentación de los individuos, y por tanto una parte del carbono de sus tejidos, procedía del mar. De manera semejante, cada cuenca hidrográfica posee su propio ciclo del carbono, en el que la concentración de carbono-14 se puede ver afectada por la disolución de rocas y otros procesos geoquímicos y bioquímicos.

Por otra parte, la datación de un fragmento de carbón vegetal en un yacimiento arqueológico no da la edad del yacimiento, sino la de la madera. En el caso de que ésta procediera del interior del árbol, el duramen, que está formado por células muertas, su antigüedad puede ser mucho mayor que la fecha en la que se cortó el árbol. Del mismo modo, la datación de un objeto arqueológico fabricado con una concha da la edad de la concha, no la del objeto; esta puede ser la misma, pero también puede ser muy posterior.

Finalmente, queda el efecto de la quema de los combustibles fósiles. El petróleo, el carbón y el gas natural, que han permanecido enterrados durante millones de años, han perdido casi todo su carbono-14. La emisión a la atmósfera de los gases de combustión del gas, el carbón y del petróleo ha reducido desde la revolución industrial la proporción de carbono-14 atmosférico. Aunque el efecto global no es muy grande, los efectos locales pueden ser espectaculares: La datación por carbono-14 de un arbusto vivo que crezca al borde de una autopista le puede atribuir una edad de más de doce mil años. Y lo mismo puede ocurrir tras las erupciones volcánicas con la emisión de gases que contengan carbono.

Pero, como ya hemos dicho, la datación mediante carbono-14 se puede calibrar con otro métodos independientes, así que, si se tienen en cuenta todos esos efectos, sus resultados son muy fiables, y constituye una herramienta valiosísima para arqueólogos y paleontólogos.