Carbono-14

Los rayos cósmicos de alta energía (principalmente protones) que proceden de fuera del sistema solar impactan con átomos presentes en la alta atmósfera de la Tierra, principalmente nitrógeno y oxígeno, haciendo que se desintegren en partículas subatómicas, como protones y neutrones. Los neutrones así producidos, al alcanzar altitudes entre 15 y 9 km de la superficie terrestre, y en latitudes geomagnéticas altas, colisionan con los átomos de nitrógeno originando las denominadas reacciones (n,p):

¹⁴₇N + n → ¹⁴₆C + p

El carbono-14 también puede ser producido por rayos en las tormentas, pero en cantidades insignificantes a nivel mundial, en comparación con la producción por rayos cósmicos.

Se conocen otras reacciones de neutrones capaces de generar carbono-14:

Con neutrones térmicos:

¹³C(n,γ) → ¹⁴C

¹⁷O(n,α) → ¹⁴C

Con neutrones rápidos:

¹⁵N(n,d) → ¹⁴C

¹⁶O(n,³He) → ¹⁴C .

También puede tener fuente radiogénica: el “cluster decay” del radón ²²³Ra, ²²⁴Ra, ²²⁶Ra. Por ejemplo:

²²³₈₈Ra → ¹⁴ ₆C + ²⁰⁹₈₂Pb

Este origen es extremadamente raro.

Las explosiones de bombas nucleares producen grandes cantidades de neutrones que, al chocar con átomos de nitrógeno en la atmósfera, producen carbono-14.^[2]​ Por ello, los ensayos de bombas nucleares llevados a cabo por varios países sobre todo en los años 1950 y 1960 aumentaron extraordinariamente la cantidad de carbono-14 en la atmósfera y posteriormente en la biosfera.

Se forma carbono-14 en los refrigerantes de reactores nucleares tanto de agua en ebullición (BWR) como de agua a presión (PWR). Por lo general, se libera a la atmósfera en forma de dióxido de carbono en los BWR y metano en los PWR.

El carbono-14 también se genera dentro de los combustibles nucleares. En parte se debe a la transmutación del oxígeno en el óxido de uranio, pero más significativamente a partir de la transmutación de las impurezas de nitrógeno-14. Si el combustible gastado se envía a reprocesamiento nuclear, entonces el carbono-14 se libera como CO₂.

En 2020 se estimó que por entonces la producción de carbono-14 por las centrales nucleares equivalía a un 10% de la producción natural por rayos cósmicos.^[2]​

El método de datación por radiocarbono es la técnica basada en isótopos más fiable para determinar la edad de muestras orgánicas de menos de 50 000 años.^[3]​ Está basado en la ley de decaimiento exponencial de los isótopos radiactivos. El isótopo carbono-14 (¹⁴C) es producido de forma continua en la atmósfera como consecuencia del bombardeo de átomos de nitrógeno por rayos cósmicos. Este isótopo creado es inestable, por lo que, espontáneamente, se transmuta en nitrógeno-14 (¹⁴N). Estos procesos de generación-degradación de ¹⁴C se encuentran prácticamente equilibrados, de manera que el isótopo se encuentra homogéneamente mezclado con los átomos no radiactivos en el dióxido de carbono de la atmósfera. El proceso de fotosíntesis incorpora el átomo radiactivo en las plantas, de manera que la proporción ¹⁴C/¹²C en estas es similar a la atmosférica. Los animales incorporan, por ingestión, el carbono de las plantas. Ahora bien, tras la muerte de un organismo vivo no se incorporan nuevos átomos de ¹⁴C a los tejidos, y la concentración del isótopo va decreciendo conforme va transformándose en ¹⁴N por decaimiento radiactivo.

La masa en isótopo ¹⁴C de cualquier espécimen disminuye a un ritmo exponencial, que es conocido: a los 5730 años de la muerte de un ser vivo la cantidad de ¹⁴C en sus restos se ha reducido a la mitad. Así pues, al medir la cantidad de radiactividad en una muestra de origen orgánico, se calcula la cantidad de ¹⁴C que aún queda en el material. Así puede ser datado el momento de la muerte del organismo correspondiente. Es lo que se conoce como "edad radiocarbónica" o de ¹⁴C, y se expresa en años BP (Before Present, Antes del presente). Esta escala equivale a los años transcurridos desde la muerte del ejemplar hasta el año 1950 de nuestro calendario. Se elige esta fecha por convenio y porque en la segunda mitad del siglo XX los ensayos nucleares provocaron aumentos drásticos de la concentración de ¹⁴C en la atmósfera.

Al comparar las concentraciones teóricas de ¹⁴C con las de muestras de maderas de edades conocidas mediante dendrocronología, se descubrió que existían diferencias con los resultados esperados. Esas diferencias se deben a que la concentración de carbono radiactivo en la atmósfera ha ido variando a lo largo del tiempo. Hoy se conoce con suficiente precisión (un margen de error de entre 1 y 10 años) la evolución de la concentración de ¹⁴C en los últimos 15 000 años, por lo que puede corregirse esa estimación de edad comparándolo con curvas obtenidas mediante interpolación de datos conocidos. La edad así hallada se denomina "edad calibrada" y se expresa en años Cal BP.

 

Los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) no contienen nada de carbono-14 por haber estado aislados de la atmósfera durante muchos millones de años. Al quemarlos, el CO₂ que se emite tampoco contiene ¹⁴C. Por ello, el uso masivo de combustibles fósiles desde la Revolución Industrial ha llevado a una lenta reducción de la concentración de ¹⁴C en la atmósfera. Lo mismo ocurre, en menor medida, con el ¹³C.^[2]​

Sin embargo, en los años 1950 y 1960 se produjo un brusco aumento de la concentración atmosférica de ¹⁴C debido a los ensayos nucleares realizados por numerosos países. Desde entonces, el valor ha declinado y en la actualidad (2020) se encuentra próximo a su valor pre-industrial.^[2]​El declive se debe en parte a que el ¹⁴C se fijó en el tejido vegetal y animal, y se disolvió en los océanos, y en parte al efecto continuado de la emisión de CO₂ fósil..

• carbono
• carbono-12
• carbono-13
• datación potasio-argón
• rehidroxilación

• What is Carbon Dating? Woods Hole Oceanographic Institute (en inglés)