Carbon-14

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare
Carbon-14
Informații generale
Nume, simbol Carbon radioactiv, 14C
Neutroni 8
Protoni 6
Date ale izotopului
Abundență naturală 1 parte la trilion
Timp de înjumătățire 5.730 ± 40 ani
Masă 14,003241 u
Spin 0+
Mod de descompunere Energia descompunerii
Beta 0,156476[1]

Carbon-14, 14C, radiocarbon sau carbon radioactiv este un izotop radioactiv de carbon cu nucleu atomic ce conține 6 protoni și 8 neutroni. Prezenta lui în materiile organice stă la baza datării cu radiocarbon, metodă folosită pentru datarea arheologică, geologică și a mostrelor hidro-geologice.

Izotopul Carbon-14 a fost descoperit în 27 februarie 1940 de către Martin Kamen și Sam Ruben în laboratorul Universității din California din Berkely, cu toate că existența sa fusese deja sugerată de către Franz Kurie în 1934.[2]

Sunt 3 izotopi de carbon ce există natural pe Pământ: 99% din carbon este reprezentat de Carbon-12, 1% de Carbon-13, iar Carbon-14 apare în rămășițe puține, însumând cam 1 parte la trilion (0,000000001%) din carbonul atmosferic. Timpul de înjumătățire al carbonului-14 este de 5.730±40 de ani. Se descompune în Nitrogen-14 prin beta-îmbătrânire.[3]

Activitatea carbonului radioactiv modern standard[4] este de aproximativ 14 înjumătățiri pe minut per gram de carbon.[5] Masa atomică a carbonului-14 este aproximativ 14,003241. Izotopii de carbon nu diferă apreciabil în proprietățile chimice.

Acesta este folosit în cercetarea chimică în tehnica numită etichetarea cu carbon: unii atomi de carbon-12 ale unui compus stabilit sunt înlocuiți cu carbon-14 (sau niște atomi carbon-13), pentru a-i urmări (decela) pe parcursul reacțiilor chimice ce implică acest compus dat.

Originea și descompunerea radioactivă[modificare | modificare sursă]

Carbon-14 este produs în straturile superioare din troposferă și stratosferă prin absorbția neutronului termic de către atomii de nitrogen. Când razele cosmice pătrund în atmosferă, acestea trec prin diferite transformări, inclusiv producția de neutroni. Neutronii ce rezultă (1n) participă la următoarea reacție:

1n + 14N → 14C + 1H

Cea mai mare rată de producție de carbon-14 are loc la altitudini de la 9 la 15 km și la latitudini cu geomagnetism crescut, însă carbonul-14 se amestecă ușor și devine egal distribuit prin atmosferă și reacționează cu oxigenul formând radioactiv dioxidul de carbon. CO2 se dizolvă în apă și astfel pătrunde în oceane. Carbonul-14 poate fi produs în gheață de neutroni rapizi, cauzând reacții de spalație în oxigen.

Carbonul-14 devine apoi radioactiv prin beta descompunere.

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

Prin emiterea de un electron și un anti-neutron, carbonul-14 (timp de înjumătățire de 5730 ani) trece în izotop stabil (non-radioactiv) numit nitrogen-14.

Inventarul de carbon-14 în biosfera Pământului este aproximativ de 300 milioane Curie, din care o mare parte se află în oceane.[6]

Datarea cu carbon radioactiv[modificare | modificare sursă]

Este o metodă de datare radiometrică care folosește 14C pentru a determina vârsta materiilor carbonacee până la 60 mii de ani vechime. Tehnica a fost dezvoltată de către Willard Libby și colegii lui în 1949[7] pe vremea când ocupa funcția de profesor la Universitatea din Chicago. Libby a estimat ca radioactivitatea carbonului-14 ar fi de aproximativ 14 dezintegrări pe minut (dpm) per gram. În 1960 a fost premiat cu premiul Nobel pentru chimie pentru activitatea sa. Una din frecventele utilizări 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. Totuși, descrește după aceea prin descompunerea radioactivă, permițând doar o estimare a datei morții sau fixării. Nivelul inițial de 14C pentru calculare poate fi ori estimat, ori comparat direct cu date cunoscute an cu an, din datele inelelor trunchiurilor de copaci (dendrocronologie) până la 10 mii de ani în urmă sau din depozitele sedimentare din peșteri cu până la 45 mii de ani vechime. Aceste comparații dau mostrei de lemn sau animal vârsta aproximativă de formare.

Tehnica are limitări în era modernă industrială, datorită combustibilului de carbon fosil (sărac în carbon-14) care este eliberat în atmosferă în mari cantități, în ultimele secole.

Formarea în timpul testelor nucleare[modificare | modificare sursă]

Testele nucleare de la sol ce au fost făcute între 1955 și 1963 au crescut dramatic cantitatea de carbon-14 în atmosferă și ulterior în biosferă; după încetarea testelor concentrația izotopului a început să scadă.

Alt efect secundar al schimbării carbonului-14 atmosferic este acela că permite determinarea anului nașterii unui individ: cantitatea de carbon-14 din smalțul dentar este măsurat cu spectrometria acceleratorului de masă și comparată cu înregistrări ale fostelor concentrații de carbon-14 atmosferic. Din moment ce dinții se formează la o anumită vârstă și nu schimbă carbonul după aceea, această metoda permite determinarea vârstei cu aproximație de 1,6 ani. Această metoda funcționează doar pentru indivizii născuți după 1943[8][9] și trebuie știut dacă individul s-a născut în emisfera nordică sau sudică.

O alternativă a metodei de datare se bazează pe formațiunile oculare; proteinele transparente numite cristaline produse în primul an de viață sunt neschimbate după aceea, deci măsurând concentrația de carbon-14 poate aduce informații despre data nașterii individului. Restricția primară este ca persoana să se fi născut după 1950, cristalinul să fi fost extras cât timp persoana trăia sau cel puțin la 3 zile după deces, înainte să se descompună carbonul prea mult și individul să nu fi fost hrănit exclusiv cu animale marine (pești, fructe de mare).[10]

Apariție[modificare | modificare sursă]

În combustibili fosili[modificare | modificare sursă]

Majoritatea substanțelor chimice produse de om sunt produși derivați din combustibili fosil, cum este petrolul sau cărbunele, în care carbonul-14 este de mult descompus. Totuși, astfel de depozite adesea conțin urme de carbon-14 (variind semnificativ de la 1% găsit în organisme vii până la cantități comparabile cu aparenta vârstă de 40.000 ani în cazul produselor petrolifere cu nivel crescut de carbon-14).[11] Acest lucru ar putea indica posibile contaminări cu cantități mici de bacterii, surse subterane de radiații (descompunerea uraniului, deși s-au raportat măsurători ale rației de 14C/U în minereul de uraniu,[12] care reprezintă 1 atom de U la fiecare 2 atomi de C; sau alte surse secundare necunoscute producătoare de carbon-14.

În corpul uman[modificare | modificare sursă]

Din moment ce toate sursele esențiale ale hranei umane sunt derivate din plante, carbonul cuprins în corpurile umane conțin carbon-14 în aceeași concentrație ca cea din atmosferă. Beta-transformarea din acest carbon radioactiv intern contribuie aprox. cu 0,01 mSv/an echivalența dozei de radiații ionizate a fiecărei persoane.[13]. Aceasta reprezintă foarte puțin comparativ cu dozele de izotopi de potasiu-40 (0,39 mSv/an) și de radon.

Carbonul-14 se poate folosi în medicină pentru depistarea radioactivității. În varianta inițiala a testului ureei în aerul expirat, un test de diagnosticare pentru Helicobacter pylori, ureea „marcată” cu carbon-14 este dată pacientului. În eventualitatea infectării cu H.pylori, enzimele bacteriene ureaze descompun ureea în amoniac și dioxid de carbon „marcat” radioactiv, care se poate identifica prin numărarea în aerul expirat al pacientului.[14]

Testul de uree expirată cu carbon-14 a fost înlocuit cu cel cu carbon-13, care nu iradiază.

Note[modificare | modificare sursă]

  1. ^ A.H Waptstra, G. Audi, and C. Thibault. „AME atomic mass evaluation 2003. http://www.nndc.bnl.gov/masses/mass.mas03. Accesat la 3 iunie 2007. 
  2. ^ Kamen, Martin D. (1963). „Early History of Carbon-14: Discovery of this supremely important tracer was expected in the physical sense but not in the chemical sense”. Science 140 (3567): 584–590. doi:10.1126/science.140.3567.584. PMID 17737092. 
  3. ^ What is carbon dating?”. National Ocean Sciences Accelerator Mass Spectrometry Facility. http://www.nosams.whoi.edu/about/carbon_dating.html. Accesat la 11 iunie 2007. 
  4. ^ Carbon 14:age calculation”. C14dating.com. http://www.c14dating.com/agecalc.html. Accesat la 11 iunie 2007. 
  5. ^ Class notes for Isotope Hydrology EESC W 4886: Radiocarbon 14C”. Martin Stute's homepage at Columbia. http://www.ldeo.columbia.edu/~martins/isohydro/c_14.html. Accesat la 11 iunie 2007. 
  6. ^ Human Health Fact Sheet - Carbon 14”. Argonne National Laboratory, EVS. 1 august 2005. http://www.ead.anl.gov/pub/doc/carbon14.pdf. 
  7. ^ Arnold, J. R. and Libby, W. F. (1949). „Age Determinations by Radiocarbon Content: Checks with Samples of Known Age,”. Science 110 (2869): 678–680. doi:10.1126/science.110.2869.678. PMID 15407879. 
  8. ^ Radiation in Teeth Can Help Date, ID Bodies, Experts Say”. National Geographic News. 22 septembrie 2005. http://news.nationalgeographic.com/news/2005/09/0922_050922_nuke_body.html. 
  9. ^ Spalding KL, Buchholz BA, Bergman LE, Druid H, Frisen J. (15 septembrie 2005). „Forensics: age written in teeth by nuclear tests”. Nature 437 (7057): 333–4. doi:10.1038/437333a. PMID 16163340. 
  10. ^ Niels Lynnerup, et al., Radiocarbon Dating of the Human Eye Lens Crystallines Reveal Proteins without Carbon Turnover throughout Life, Public Library of Science
  11. ^ D.C. Lowe, „Problems Associated with the Use of Coal as a Source of 14C Free Background Material”, Radiocarbon, 1989, 31:117-120
  12. ^ Jull, A.J.T. (12 1985). „Carbon-14 Abundances in Uranium Ores and Possible Spontaneous Exotic Emission from U-Series Nuclides”. Meteorics 20: 676.  (abstract)
  13. ^ NCRP Report No. 93 (1987). Ionizing Radiation Exposure of the Population of the United States. National Council on Radiation Protection and Measurements  (fragment)
  14. ^ Society of Nuclear Medicine Procedure Guideline for C-14 Urea Breath Test” (PDF). 23 iunie 2001. http://interactive.snm.org/docs/pg_ch07_0403.pdf. Accesat la 4 iulie 2007. 

Legături externe[modificare | modificare sursă]