EL CARBONO 14

 

  El carbono es un elemento químico cuyo número atómico es 6, que es muy abundante en la naturaleza y está presente en los seres vivos. Se llama carbono-14, o carbono-14, a un isótopo radiactivo de este elemento.

  Los isótopos son elementos químicos que cuentan con la misma cantidad de protones, pero diferente número de neutrones. Los protones y los neutrones son partículas elementales. Lo radiactivo, por su parte, es algo que dispone de radiactividad, la cual es la propiedad de algunos cuerpos de emitir radiaciones cuando se desintegran.

  El carbono-14, que también suele ser mencionado como radiocarbono, es un isótopo del carbono que tiene seis protones y ocho neutrones. Los descubridores del carbono-14 fueron los científicos estadounidenses Sam Ruben y Martin Kamen, quienes advirtieron la existencia de este elemento el 27 de febrero de 1940. La importancia del carbono-14 radica en la posibilidad de utilizarlo para la datación de objetos antiguos. El carbono constituye el elemento esencial de toda la química de la vida, y se encuentra presente en gran abundancia en todos los organismos vivos del planeta, así como en el suelo y en la atmósfera.

  A determinadas alturas de la atmósfera, los átomos de nitrógeno que la componen se encuentran expuestos a las radiaciones de partículas que constantemente bombardean nuestro planeta procedentes del espacio. Esta radiación se conoce como radiación cósmica o rayos cósmicos, y tienen la capacidad de alterar los núcleos de aquellos átomos sobre los que inciden, liberando neutrones en estos choques. En ocasiones, un átomo de nitrógeno recibe el impacto de uno de estos neutrones liberados por los rayos cósmicos, que desplaza a un protón, lo expulsa del núcleo atómico y ocupa su lugar. Al perder el átomo de nitrógeno uno de sus siete protones, automáticamente se convierte en un átomo de carbono, pero un átomo de carbono especial, con seis protones y ocho neutrones: un átomo de carbono-14. De todo el carbono presente en la naturaleza, el 98,89% es carbono-12 (C), un 1,11% es carbono-13 (13C, un isótopo estable del carbono que contiene un neutrón de más), y tan sólo un 0,0000000001%  es carbono-14 (14C). Este isótopo se transmuta de forma espontánea en nitrógeno 14, que se mezcla con otros átomos que no son radiactivos en el dióxido de carbono atmosférico. Los átomos de carbono-14 se distribuyen por la atmósfera de forma regular, combinándose rápidamente con el oxígeno para formar dióxido de carbono que, en el ciclo natural de la biosfera terrestre, termina siendo procesado por las plantas en la fotosíntesis y absorbido por éstas. Luego, todos los animales (que de una u otra forma se alimentan de plantas o de seres que comen plantas) terminan absorbiendo en su organismo el mismo porcentaje de carbono-14 presente en la atmósfera. Mientras la planta o el animal siguen con vida, esta absorción se seguirá produciendo de forma constante, y sólo terminará cuando este ser vivo muera y concluya su intercambio con el resto de la biosfera (generalmente al quedar enterrado o aislado de la naturaleza). Una vez que el ser vivo muere, ya no se incorporan más átomos de carbono-14 a su organismo, por lo cual la concentración del isótopo se va reduciendo, ya que deja de intercambiar carbono con la biósfera y su contenido de carbono-14 empieza a disminuir a una tasa determinada por la ley del decaimiento radioactivo. Los expertos determinaron que, tras 5568 años la mitad de los átomos de carbono-14 habrán vuelto a convertirse en nitrógeno. Cuanto más tiempo permanezca un resto orgánico enterrado, menor será la cantidad de carbono-14 que contenga. Y después de transcurridos 5.730 años del fallecimiento del ser vivo, la cantidad de carbono-14 en sus restos se reduce a la mitad. Por eso, midiendo la radiactividad de los restos, se puede calcular qué cantidad de carbono-14 queda y así determinar la fecha de muerte. La edad de radiocarbono de una determinada muestra de edad desconocida se puede determinar midiendo su contenido de carbono-14 y comparando el resultado con la actividad del carbono-14 en muestras modernas o más antiguas.

  La datación por radiocarbono es solamente aplicable a materiales orgánicos y a algunos materiales inorgánicos (no es aplicable a metales). Los materiales que han sido datados por radiocarbono desde la creación del método incluye carbón, madera, semillas, huesos, cuero, turba, barro de lago, suelo, cabello, cerámica, polen, pinturas murales, corales, residuos de sangre, tejidos, papel o pergamino, resinas, y agua, entre otros. Los pre-tratamiento físicos y químicos realizados sobre estos materiales eliminan los posibles contaminantes antes de analizar su contenido de radiocarbono.

  El origen del procedimiento de datación por Carbono-14 se encuentra en las investigaciones realizadas durante la Segunda Guerra Mundial sobre la separación de isótopos de Uranio para la fabricación de la bomba atómica. El físico y químico estadounidense Willard Libby (1908-1980) dirigió un equipo de científicos después de la II Guerra Mundial para desarrollar un método que midiese la actividad del radiocarbono y se le atribuye el haber sido el primer científico que sugirió que el isótopo inestable del carbono, denominado radiocarbono o carbono-14, pudiese existir en la materia viva. Libby y su equipo de científicos publicaron un artículo que resumía la primera detección de radiocarbono en una muestra orgánica. Asimismo, Libby midió por primera vez la tasa de decaimiento del radiocarbono y estableció que su vida media era de 5.568 años ± 30 años. En 1960, Libby fue galardonado con el Premio Nobel de Química en reconocimiento a sus esfuerzos por desarrollar la datación por radiocarbono. Su método consistía en quemar la muestra una vez limpiada de impurezas, de forma que el carbono contenido en la misma se convirtiera en dióxido de carbono (CO2). Un vez purificado este CO2, se introducía en un aparato llamado contador proporcional. El contador proporcional contaba el número de electrones emitidos por la muestra (cada descomposición atómica del carbono-14 emite un electrón). Según la cantidad de electrones detectados en un plazo de tiempo concreto, podía determinarse la cantidad de carbono-14 presente en la muestra y, por lo tanto, determinar cuánto tiempo había pasado desde la muerte de la muestra biológica. Este método es el menos preciso y el que requiere una mayor cantidad de material para obtener una datación fiable. Hay que tener en cuenta que depende del número de desintegraciones del carbono-14, que tiene un importante componente aleatorio. Aún así, el método de Libby consigue dataciones con un margen de error aproximado de solo 200 años, lo que para muestras muy antiguas puede ser suficiente.

  Los tres principales métodos de datación por radiocarbono son: el recuento proporcional de gas, el recuento de centelleo líquido, y la espectrometría de masas con aceleradores.

El recuento proporcional de gas (el método de Libby) es una técnica convencional de datación radiométrica que cuenta las partículas beta emitidas por una muestra dada. Las partículas beta son productos del decaimiento del radiocarbono. En este método, la muestra de carbono se convierte primero en gas de dióxido de carbono antes de que la medición en contadores de gas proporcional se lleve a cabo.

El recuento de centelleo líquido es otra técnica de datación por radiocarbono que era popular en la década de 1960. En este método, basado y desarrollado a partir del anterior, la muestra está en estado líquido, se disuelve en benceno y se utiliza un líquido que emite centelleos de luz al recibir los electrones resultantes de la desintegración del carbono-14. Un vial con una muestra se pasa entre dos fotomultiplicadores, y solo cuando ambos dispositivos registran el destello de luz, se realiza el recuento. A pesar de la mejora, este procedimiento sigue dependiendo de la imprevisibilidad de la desintegración atómica, de la cantidad de muestra analizada y de posible contaminación externa.

Finalmente se desarrolló un método para medir directamente la cantidad de átomos de carbono-14, y no la desintegración de los mismos por métodos indirectos: la espectrometría de masas con aceleradores (AMS, por sus siglas en inglés), es un método moderno de datación por radiocarbono que está considerado como la forma más eficiente de medir el contenido de radiocarbono de una muestra. En este método, después de calentar la muestra y separar los átomos de carbono, estos son ionizados (separados de sus electrones, con lo que se convierten en partículas cargadas de electricidad) y una vez ionizados se introducen en un acelerador de partículas. A estos átomos de carbono cargados y acelerados a gran velocidad se las desvía mediante potentes electroimanes, de manera que describan una curva. Mientras el carbono “normal” se desvía más por su menor masa, los isótopos del carbono (C13 y C14) siguen trayectorias distintas (tienden a desviarse menos de su trayectoria por su mayor masa e inercia) y terminan en detectores distintos. De esta forma puede medirse con exactitud la cantidad de átomos de la muestra independientemente de su actividad radiactiva, y con mucha menor cantidad de material, pues el contenido de carbono-14 se mide directamente en relación al carbono 12 y al carbono 13 presente. El método no tiene en cuenta las partículas beta, sino el número de átomos de carbono presentes en la muestra y la proporción de los isótopos. Aunque este método es el más costoso de todos, también es el que ofrece una mayor precisión en las dataciones, reduciendo el margen de error a solo 40 años. Mientras el método original de Libby precisaba de muestras de hasta 1kg, la espectrometría de masas puede obtener resultados satisfactorios con sólo 1mg de material.

Willard Libby

  A pesar de todo, el proceso de datación es más complejo aún: resulta que a lo largo de los siglos y los milenios, la radiación cósmica no ha sido siempre la misma, lo cual significa que hubo periodos de mayor concentración de carbono-14 en la atmósfera y otros de menor concentración, y esto puede aumentar el error de la datación. Además, la muestra podría haber sido contaminada desde su depósito original, recibiendo aportaciones de carbono-14 extra que impedirían una datación correcta. Todas las dataciones radiológicas se miden en años hasta 1950, expresándose como años BP (por la expresión inglesa before present, antes del presente). A partir de la década de los cincuenta del pasado siglo la proliferación de pruebas de armas nucleares en la atmósfera alteró gravemente los porcentajes de isótopos radiactivos de todo tipo presentes en la atmósfera, y por ende en todos los organismos vivos. Por otro lado, el cálculo de la vida media del carbono-14 aún no ha sido establecido con toda exactitud, y se mantiene un margen de error de 30 años, por lo que las dataciones realizadas en la actualidad posiblemente tengan que ser revisadas en un futuro. Para concretar las dataciones por carbono-14, la comunidad científica debe realizar además un proceso de calibración que les permita afinar los resultados y establecer una tabla cronológica. Para ello se utilizan, entre otros métodos, la datación por carbono-14 de muestras de edad conocida, como las secuoyas.

  El carbono-14 se puede considerar uno de los sistemas de datación más utilizados por la Arqueología y ha permitido en los últimos años establecer nuevas hipótesis, profundizar en el estudio de antiguas civilizaciones y reescribir los libros de Historia llevando las fechas más allá (como en el caso de la civilización egipcia) de lo que se creía. Aunque no se le puede pedir tanta exactitud en cuanto a fechas. Los arqueólogos se deben mantener alerta a la hora de manipular tanto las muestras que se utilizan para llevar a cabo las pruebas como los resultados que se obtienen. Lo principal y determinante es tomar una muestra en el yacimiento que no esté contaminada por restos orgánicos de otras zonas del yacimiento o por plantas o raíces cercanas ya que puede desvirtuar los resultados. Además, los resultados que se obtienen suelen ser estimados en torno a un margen de error que puede estar en unos cientos de años con lo que no se puede esperar que esta prueba nos dé el año, día y hora exacta en que se formó la muestra analizada o un objeto material con restos orgánicos. Pese a ser el método de datación más utilizado y preciso con el que contamos, siempre será necesario contrastar la información con el registro material del yacimiento.

  El impacto que la técnica de la datación por radiocarbono ha tenido en el hombre moderno la ha convertido en uno de los descubrimientos más significativos del siglo XX. Ningún otro método científico ha logrado revolucionar tanto la comprensión del hombre tiene de su presente y su pasado. La arqueología y otras ciencias humanas utilizan la datación por radiocarbono para probar o refutar teorías. Con los años, la datación por carbono-14 también ha encontrado aplicaciones en geología, hidrología, geofísica, ciencia atmosférica, oceanografía, paleo-climatología, e incluso en biomédica.

  En la actualidad se ha dado a conocer que se están produciendo distintas situaciones que ponen en serio peligro el carbono-14. Así, por ejemplo, los expertos en la materia destacan, sobre todo, lo que es la contaminación y también el llamado efecto Suess. El físico estadounidense de origen austriaco Hans Suess (1909-1993) fue quien estableció que se estaba produciendo una distorsión de las cantidades de carbono-14 presentes en los distintos organismos. Esto lleva teniendo lugar aproximadamente dos siglos y medio pues la industrialización fue la detonante de que esto se produjera.

  Para finalizar, existen otros métodos de datación radiológica además del carbono-14: el del uranio, del potasio/argón, la termoluminiscencia, etc., y otros de tipo físico-químicos, como el paleomagnetismo, la racemización de aminoácidos y muchos otros. Siempre que es posible, estos métodos de datación se usan de forma complementaria para obtener la mayor precisión posible en cada caso.