Carbon-14

Carbon-14 (¹⁴C, radiocarbonul sau carbonul radioactiv) este un izotop radioactiv al carbonului ce conține 6 protoni și 8 neutroni în nucleu atomic. Prezența lui în materiile organice stă la baza datării cu radiocarbon, metodă folosită pentru datare arheologică, geologică și a mostrelor hidro-geologice.

Descoperirea izotopului ¹⁴C a fost raportată de către Martin Kamen și Sam Ruben la 27 februarie 1940, ca rezultat al cercetărilor efectuate în cadrul laboratorului de la Universitatea din California la Berkeley. Existența acestuia fusese însă sugerată de către Franz Kurie în 1934.^[2]

Amestecul natural al carbonului conține trei izotopi: 99% ¹²C, 1% ¹³C și urme de ¹⁴C (aproximativ 1 parte per miliard (0,000000001%) în carbonul atmosferic. Masa atomică a carbonului-14 este aproximativ 14,003241 uam. ¹²C și ¹³C sunt izotopi stabili, în timp ce ¹⁴C se transformă în ¹⁴N prin dezintegrare beta cu un (timp de înjumătățire de 5730 ± 40 de ani).^[3] Un gram de carbon conține 1 atom de ¹⁴C într-un total 10¹² atomi de carbon, ^[4] emițând ~0,2 particule beta pe secundă.^[5] Principala sursă de ¹⁴C pe Pământ o reprezintă acțiunea radiației cosmice asupra azotului atmosferic, ceea ce face ca ¹⁴C să fie un radionuclid cosmogenic. Cu toate acestea, testele nucleare efectuate în perioada 1955–1980 au contribuit la bilanțul acestui radioizotop.

Izotopii diferiți ai aceluiași element nu diferă seminificativ din punct de vedere chimic. Această proprietate este exploatată în cercetarea chimică și biologică printr-o tehnică denumită marcare radioizotopică cu carbon: atomii ¹⁴C pot înlocui carbonul neradioactiv, pentru a urmări reacții chimice și biochimice în implică atomul de carbon în orice compus organic.

¹⁴C se stabilizează prin dezintegrare β^–:

${\displaystyle \mathrm {~_{6}^{14}C} \rightarrow \mathrm {~_{7}^{14}N} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}$

Prin emiterea unui electron și a unui antineutron, ¹⁴C trece în izotopul stabil ¹⁴N (timp de înjumătățire de 5730 ani).^[6]

Particulele beta emise prezintă un maxim energetic de 156 keV, energia lor medie fiind de 49 keV.^[6] Acestea sunt energii relativ scăzute, puterea lor de penetrare fiind estimată la 22 cm în aer și 0,27 cm în țesut. Detectorii Geiger–Müller nu pot detecta cantități scăzute de astfel de particule, aceștia nefiind sensibili la activități inferioare a 100000 Bq (aproximativ 0,05 Ci) și având o eficiență de numărare de circa 3%. Din acest motiv, se preferă utilizarea detectorilor cu scintilatori lichizi, având în vedere faptul că puterea de penetrare a acestor particule în apă e de crica 0,05 cm.^[7]

Datarea cu carbon este o metodă de datare radiometrică care folosește ¹⁴C pentru a determina vârsta materiilor ce conțin carbon cu o vechime de până la 60 de mii de ani. Tehnica a fost dezvoltată de către Willard Libby și colegii săi în 1949^[8] pe vremea când era profesor la Universitatea din Chicago. Libby a estimat ca radioactivitatea ¹⁴C ar fi de aproximativ 14 dezintegrări pe minut (dpm) per gram de carbon pur, valoare încă utilizată în standardele moderne. În 1960 a primit premiul Nobel pentru chimie pentru dezvoltarea acestei tehnici.

Una din utilizările frecventele ale tehnicii este datarea rămășițelor din siturile arheologice. Plantele fixează carbonul atmosferic pe parcursul procesului de fotosinteză, așa că nivelul de ¹⁴C în plante și animale în momentul în care mor corespunde aproximativ cu nivelul de ¹⁴C din atmosfera acelui timp. Această valoare descrește prin descompunere radioactivă după moartea viețuitoarelor, permițând estimarea datei morții sau fixării. Nivelul inițial de ¹⁴C pentru utilizat în calcul poate fi fie estimat, fie comparat direct cu date anuale determinate din analiza (dendrocronologie) inelelor trunchiurilor de copaci (până la 10 mii de ani în urmă), respectiv din depozitele sedimentare din peșteri (până la 45 mii de ani în urmă). Aceste comparații pot fi folosite la estimarea vârstei de formare aproximative a mostrei de lemn sau rest animal.

¹⁴C este produs în straturile înalte ale troposferei și în stratosferă prin absorbția neutronilor termici de către atomii de azot. Atunci când radiația cosmică pătrunde în atmosferă, acesta suferă diverse transformări, inclusiv producerea de neutroni. Neutronii participă la următoarea reacție nucleară de tip (n,p):

${\displaystyle \mathrm {~_{7}^{14}N} +{~_{0}^{1}n}\rightarrow \mathrm {~_{6}^{14}C} +{~_{1}^{1}p}}$

Producția cea mai ridicată de ¹⁴C are loc între 9 și 15 km altitudine, la latitudini geomagnetice superioare. Diverse modele conduc la valori de 16400,^[9] respectiv 18800^[10] atomi de ¹⁴C per secundă și metru pătrat de suprafață a Pământului, în concordanță cu bugetul total de ¹⁴C.^[11] Dimpotrivă, măsurătorile directe ale ratei de producție nu au condus la rezultate concludente. Acesata variază cu schimbarea fluxului de radiație cosmică din cauza modulării heliosferice (vânt solar și câmp magnetic solar) și cu câmpul magnetic al Pământului. Acesta din urmă induce variații semnificative în rata de producție a ¹⁴C, chiar dacă modificările ciclului carbonului pot combate eficient aceste efecte.^[11][12] De asemenea, există perioade de vârf, cu o creștere neobisnuită a ratei de producție a ¹⁴C,^[13] cauzate de evenimente solare ce produs particule cu energii extreme.^[14][15] O altă creștere semnificativă (20 ‰) a fost asociată recent (2017) cu evenimentul din 5480 î.H., dar este puțin probabil să fi fost un astfel de eveniment solar.^{[16] 14}C mai poate fi produs în atmosferă de către fulgere,^[17][18] dar cu o incidență mult inferioară celei datorate radiației cosmice.

¹⁴C este produs în cantități nesemnificative în urma proceselor radiogene (dezintegrarea cluster a ²²³Ra, ²²⁴Ra și ²²⁶Ra). However, this origin is extremely rare.

¹⁴C poate fi produs și în urma altor reacții nucleare de tip ¹³C(n,γ)¹⁴C și ¹⁷O(n,α)¹⁴C sub neutroni termici, precum și ¹⁵N(n,d)¹⁴C și ¹⁶O(n,³He)¹⁴C sub acțunea neutronilor rapizi.^[19] Astfel de reacții nucleare pot avea loc în natură, dar – în general – sub acțiunea neutronilor rezultați din teste nucleare. Altfel, astfel de reacții sunt comune în reactorul nuclear.

Testele nucleare atmosferice efectuate în periada 1955–1963 au condus la creșterea dramatică a cantității de ¹⁴C prezente în atmosferă și ulterior în biosferă; după încetarea testelor concentrația izotopului a început să scadă.

Un efect secundar al schimbării concentrației de ¹⁴C este acela că permite determinarea relativ precisă (1,6 ani) a vârstei unei persoane (născute după 1943)^[24][25] prin analiza cantității de ¹⁴C în smalțul dentar sau lentila oculară.^[26] De asemenea, este posibil să se determine în ce emisferă a fost născut.

¹⁴C este un produs tipic format în reactori nucleari de tip BWR (eng. Boiling Water Reactors) sau PWR (eng. Pressured Water Reactors) în urma activării agentului de răcire. Acesta ajunge în atmosferă sub formă de dioxid de carbon (BWR) respectiv metan (PWR).^[27] Codul bunelor practici în domeniu presupune eliberarea produșilor gazoși pe timp de noapte, cind plantele nu produs fotosinteză.^[28]

După producerea în straturile înalte ale atmosferei, atomii de ¹⁴C reacționează rapid, cu formare aproape exclusivă (aproximativ 93%) de monoxid de carbon, ¹⁴CO. Acesta suferă procesul de oxidare, trecând în timp în dioxid de carbon, ¹⁴CO₂. Acesta se amestecă rapid cu forma neradioactivă a CO₂ din atmosferă, în decurs de câteva săptămâni atingându-se valoarea de echilibru. De asemenea, se dizolvă și în Oceanul planetar, dar valoarea de echilibru este atinsă mai greu^[29] (12–16 ani în emisfera nordică). Transferul din stratul superficial în masa de depozite de bicarbonați de pe fundul oceanelor nu are loc decât într-o măsură limitată.^[30] Activitatea specifică a ¹⁴C în 2009 a fost de 238 Bq/kg carbon în biomateria terestră proaspătă, comparabilă cu cea dinaintea testelor nucleare (226 Bq/kg C în 1950).^[31]

Inventarul de ¹⁴C pe Pământ este estimat la circa 300 MCi (1,13·10¹⁹ Bq, echivalentul a peste 50 de tone), majoritatea aflându-se în oceane.^[32] Din acesta, aproape 2% (1,4·10¹⁸ Bq) se află în atmosferă, 8% în apa de suprafață, sedimente și biosferă, iar restul de 90% în adâncul oceanelor (sub 100 m).^[33] Aproximativ 2,2·10¹⁸ Bq de ¹⁴C provin din testele nucleare efectuate până în 1990, iar 0,7 MCi (2,6·10¹⁶ Bq) din operarea normală a reactorilor nucleari.^[34]

Majoritatea substanțelor chimice produse de om sunt produși derivați din combustibili fosil, precum petrolul sau cărbunele, în care ¹⁴C este majoritar dezintegrat. Astfel, la arderea acestora nu rezultă aproape deloc ¹⁴CO₂. Prin analiza precisă a variațiilor în raportul izotopic în CO₂ total se poate estima cât combustibil fosil a fost ars într-o anumită regiune pe glob.^[35] Practic, diluția ¹⁴C din carbonul atmosferic poate atinge valori de 2-5% în zone puternic industrializate.

Datarea unei probe fosile date cu conținut de carbon este o procedură complicată, datorită conținutului scăzut de ¹⁴C. Aceste cantități pot varia semnificativ de la o probă la alta, coborând până la o concentrație de doar 1% față de cea specifică organismelor vii, concentație care corespunde aparent unei vârste de 40000 ani.^[36] Astfel de cazuri sugerează o contaminare a probelor cu mici cantități de bacterii, prezența unor surse subterane de radiații care cauzează reacția ¹⁴N(n,p)¹⁴C, dezintegrarea directă a uraniului,^[37] sau prezența altor surse necunoscute de producere a ¹⁴C.^[38][39]

Din moment ce toate sursele esențiale ale hranei umane sunt derivate din plante terestre, carbonul din corpul uman conține ¹⁴C în aceeași concentrație ca cea din atmosferă. Vitezele de dezinegrare ale ⁴⁰K și ¹⁴C pentru un adult normal sunt comparabile (citeva mii de dezintegrări pe secundă).^[40] Dezintegrarea beta ale radiocarbonului din mediu contribuie cu aproximativ 0,01 mSv/an la doza totală de radiații recepționată de către orice persoană.^[41] Aceasta este nesemnificativă comparativ cu dozele datorate izotopilor ⁴⁰K (0,39 mSv/an) și radon (variabilă).

¹⁴C se poate folosi în medicină ca trasor radioactiv. În varianta inițială a testului ureei în aerul expirat (un test de diagnosticare pentru Helicobacter pylori), pacientului i se administra uree marcată cu ¹⁴C. În eventualitatea infectării cu H. pylori, enzima urează (de origine bacteriană) descompunea ureea în amoniac și dioxid de carbon marcat radioactiv, care poate fi identificat prin monitorizarea ¹⁴C în aerul expirat al pacientului.^[42] Testul a fost înlocuit ulterior cu cel cu izotopul stabil ¹³C.

• Marcare izotopică
• Datarea cu carbon

• Radiocarbonul (C14) - Mit si controverse, 11 decembrie 2008, Alexandru Safta, Descoperă