(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.
Para las dataciones con carbono-14 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 ciertos productos orgánicos recientes, como por ejemplo los vinos.
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 sea 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 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.
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.
Los combustibles fósiles, que han permanecido enterrados durante millones de años, han perdido todo su carbono-14. La emisión a la atmósfera de los gases de combustión del carbón y del petróleo ha reducido desde la revolución industrial la concentración de carbono-14 atmosférico. 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 en las erupciones volcánicas con la emisión de gases que contengan carbono.
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. Aunque este último es inestable, se produce de manera natural en las capas altas de la atmósfera por la interacción de los rayos cósmicos con los átomos de nitrógeno del aire. 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: hay aproximadamente un átomo de carbono-14 en cada billón de átomos de carbono. Pero cuando mueren, los seres vivos dejan de incorporar carbono-14 a sus tejidos, y los átomos existentes se van desintegrando.
De acuerdo con las leyes que gobiernan la radiactividad, el tiempo que tarda el número de átomos de un isótopo radiactivo dado 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. 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, 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 (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 con otros isótopos radiactivos, como el uranio-235, el uranio-238, el rubidio-87, el potasio-40, etc.
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