DATACIÓN POR CARBONO-14

 

Probablemente usted haya visto o leído historias fascinantes acerca de objetos antiguos. En una excavación arqueológica se encontró un pedazo de una herramienta de madera y el arqueólogo afirma que tiene 5000 años de antigüedad. Se encuentra la momia de un niño en lo alto de los Andes y el arqueólogo dice que el niño vivió hace más de 2000 años. ¿Cómo saben los científicos la edad que tiene un objeto o unos restos humanos? , ¿Qué métodos utilizan y como funcionan esos métodos?. En ésta página web examinaremos los métodos con los que los científicos utilizan radioactividad para determinar la edad de los objetos de la forma más exacta posible: La datación por Carbono-14

 

Los protones caracterizan a los elementos químicos. Todos los átomos con igual número de protones tienen características químicas idénticas. Los neutrones no.

Dentro de los ELEMENTOS se incluyen átomos con diferente número de neutrones, llamados ISÓTOPOS de un elemento. Todos los isótopos de un elemento tienen el mismo número de protones, pero varían en el número de neutrones.

En 1896 el químico Henry Becquerel descubrió la RADIACTIVIDAD NATURAL, consistente en la desintegración espontánea de los isótopos, es decir, en las variaciones que sufren en el número de neutrones o protones de su núcleo, emitiendo radiaciones.

Cuando varía el número de neutrones, el isótopo se convierte en otro isótopo distinto del mismo elemento. Si la modificiación varía el número de protones se produce un cambio de elemento.

Estas desintegraciones radiactivas se producen espontáneamente, pero a un ritmo regular, pudiendo establecerse su PERIODO. El periodo de un isótopo radiactivo es el espacio de tiempo necesario para que la cantidad inicial de ese isótopo se reduzca a la mitad.

Los métodos comúnmente más utilizados para averiguar la edad de las formaciones geológicas [es decir, datar], involucran el proceso denominado decaimiento radioactivo. Ciertos átomos son inestables, y sus núcleos se separan en partes cambiando [transmutando] en otros elementos a través de un proceso llamado "decaimiento radioactivo". Algunos de estos elementos radioactivos se transforman a sí mismos al emitir una partícula de alta energía consistente en dos protones y dos neutrones [es decir, un núcleo de Helio ó partícula "alfa"], un proceso conocido como "decaimiento alfa". Otros elementos radioactivos decaen cuando un neutrón de su núcleo se rompe produciendo un protón y un electrón. El protón permanece en el núcleo, y el electrón es emitido [expulsado fuera del núcleo] a muy altas velocidades -proceso conocido como "decaimiento beta".

La datación por carbono-14 es un procedimiento para determinar la edad de ciertos objetos arqueológicos que tengan un origen biológico con una antigüedad de hasta cerca de 60.000 años. Se utiliza para fechar cosas tales como: huesos, madera, fibras vegetales que fueron creadas en un pasado relativamente reciente por actividades humanas.

 

Cómo se forma el Carbono-14

 

Los rayos cósmicos se incorporan a la atmósfera de la Tierra en grandes cantidades al día. Por ejemplo, cada persona es golpeada por alrededor de medio millón de rayos cada hora. No es infrecuente que un rayo cósmico colisione con un átomo de la atmósfera, creando un rayo cósmico secundario en la forma de un neutrón enérgico y éstos neutrones enérgicos colisionan con átomos de Nitrógeno. Cuando choca el neutrón, un átomo de nitrógeno -14 (siete protones, siete neutrones) se convierte en un átomo de carbono-14 (seis protones, ocho neutrones) y en un átomo de hidrógeno (un protón, 0 neutrones). El carbono-14 es radioactivo, siendo su “período” de 5730 años (es decir, a los 5730 años de la muerte de un ser vivo la cantidad de C14 en sus restos fósiles se reduce a la mitad).

 

El Carbono-14 en los seres vivos

 

Loa átomos de C14 que los rayos cósmicos crean se combinan con oxígeno para formar dióxido de carbono CO2, el cual es absorbido por las plantas e incorporados a sus fibras para realizar la fotosíntesis. Los animales y las personas comen plantas y, por tanto, también toman C14.  La ratio C14/C12 en la atmósfera y en todos los seres vivos en cualquier momento es prácticamente la misma, es decir, permanece constante. Aproximadamente uno de cada billón de átomos de carbono es del tipo C14. Los átomos de carbono-14 están constantemente desintegrándose, pero son reemplazados por nuevos átomos de C14 a un ritmo constante. En éste momento, su cuerpo aloja un cierto porcentaje de átomos de C14  y todos los animales y plantas tiene ese mismo porcentaje.

 

Datación de un fósil por el C14

 

El cálculo de la pérdida de C14 en los organismos muertos se utiliza para datar a los fósiles. Un Fósil, es cualquier evidencia directa de un organismo con más de 10.000 años de antigüedad..

Un fósil puede consistir en

Los fósiles suministran un registro del cambio evolutivo a lo largo de 3.000 millones de años en la escala geológica del tiempo.

Aunque los organismos multicelulares han podido ser abundantes en los mares que existían en el precámbrico —hace 4.600 millones de años— eran exclusivamente criaturas con cuerpos blandos, incapaces de crear fósiles. Por lo tanto, la vida precámbrica apenas ha dejado rastro.

El registro fósil se enriqueció mucho más cuando aparecieron las cubiertas duras y los cuerpos con esqueleto al comienzo de la era paleozoica, hace 570 millones de años. Los geólogos del siglo XIX utilizaron esta riqueza fósil para establecer una cronología de los últimos 500 millones de años.

 

En cuanto los organismos vegetales o animales mueren, cesa el intercambio con la atmósfera y cesa el reemplazo de carbono de sus tejidos. Desde ese momento el porcentaje de C14 de la materia orgánica muerta comienza a disminuir, ya que se transmuta en N14 y no es reemplazado.

La masa de C14 de cualquier fósil disminuye a un ritmo exponencial que es conocido. Se sabe que a los 5730 años de la muerte de un ser vivo la cantidad de C14 en sus restos fósiles se ha reducido a la mitad y que a los 57300 años es de tan solo el 0,01% del que tenía cuando estaba vivo.

Sabiendo la diferencia entre la proporción de C14 que debería contener un fósil si aún estuviese vivo (semejante a la de la atmósfera en el momento en que murió) y la que realmente contiene, se puede conocer la fecha de su muerte de forma bastante exacta.

Para medir la cantidad de carbono 14 restante en un fósil, los científicos incineran un fragmento pequeño para convertirlo en gas de dióxido de carbono. Se utilizan contadores de radiación para detectar los electrones emitidos por el decaimiento de carbono 14 en nitrógeno. La cantidad de carbono 14 se compara con la de carbono 12, forma estable del carbono, para determinar la cantidad de radiocarbono que se ha desintegrado y así datar el fósil.

Una fórmula para calcular la edad de una muestra (su antigüedad) es: (Ver a continuación la Desintegración Radiactiva)

 

t = [Ln(Nf/No)/(-0,693)]. t1/2

 

donde Ln es el logaritmo neperiano, Nf/No es el porcentaje de carbono-14 en la muestra en relación con la cantidad en el tejido vivo, y t1/2 es el “período” del C14 (5730 años, es decir, el periodo de desintegración a la mitad del C14).

 Nf = C14 final del fósil, No= C14 original del tejido vivo

 

Así pues, si usted tuviera un fósil con un 10% de C14 en relación con una muestra viva, entonces el fósil tendría una antigüedad de:

 

t = [Ln(0,10)/(-0,693)]. 5730 años

t = [(-2,303)/(-0,693)]. 5730 años

t = [3,323] . 5730 años

t = 19.040 años

 

Desintegración radiactiva

Algunos átomos son inestables y se desintegran espontáneamente emitiendo radiaciones. Se ha observado que el tiempo en que determinada substancia se reduce a la mitad, llamado período, es una constante característica de ella e independiente de la cantidad que haya. La ley de Rutherford sobre la desintegración radiactiva dice que el número de átomos de un elemento radiactivo transformados en un tiempo determinado es proporcional al número de átomos de ese elemento que estén presentes en la substancia, en particular, la fórmula que describe la desintegración es de la forma: N(t) = N0·e k t, donde:

N(t) = número de átomos radiactivos presentes al tiempo t.

No= número de átomos radiactivos presentes originalmente,

e = 2.7183,

k = velocidad de desintegración,

t = tiempo transcurrido

t 1/2 = período del elemento utilizado.

El período de los elementos radiactivos puede utilizarse a veces para determinar la fecha de sucesos del pasado de la Tierra. Las edades de las rocas de más de 2000 millones de años pueden establecerse mediante la desintegración radiactiva del uranio (de 4500 millones de años de vida media).

En un organismo vivo, cada gramo de carbono contiene 10 -6 gramos de C 14 . Tras su muerte, el organismo deja de absorber carbono y la proporción de C 14 decrece a medida que se va desintegrando. Su vida media es de unos 5730 años, de modo que es posible estimar la edad de restos orgánicos: los arqueólogos han fechado así conchas, semillas, objetos de madera, o la fecha en que se realizaron pinturas rupestres. (Hállese k en la fórmula de desintegración del C14).

El período del C14, es decir, el tiempo que tarda la radiactividad en reducirse a la mitad, en el caso del C14  es de 5.730 años; su descenso a la cuarta parte representará una duración de 11.460 años, etc. Para etapas superiores a los 20.000 años, los cálculos resultan inciertos en razón de la debilidad de la radiación. La conversión del C14  en acetileno hace retroceder los límites de la investigación hasta los 50.000 años, es decir, solo es confiable datar objetos con una antigüedad de hasta 50.000 años.

Por medio de la actividad metabólica, el nivel de carbono 14 en un organismo vivo se mantiene en equilibrio con la atmósfera o con el de otras partes de la reserva dinámica terrestre, como el océano. A partir de la muerte del organismo, el isótopo radiactivo empieza a desintegrarse a un ritmo conocido sin ser reemplazado por el carbono del dióxido de carbono atmosférico. Su rápida desintegración limita, en general, el periodo de datación a unos 50.000 años, aunque a veces se extienda el método hasta 70.000 años. La incertidumbre de la medida aumenta con la antigüedad de la muestra.

Aunque el método se adapta a una gran variedad de materiales orgánicos, su precisión depende del valor usado para la vida media de las variaciones en las concentraciones atmosféricas de carbono 14 y de la contaminación. En 1962, la vida media del radiocarbono fue redefinida desde 5.570 ± 30 años a 5.730 ± 40 años; por ello, algunas determinaciones anteriores requieren un ajuste, y debido a la radiactividad introducida en los últimos años en la atmósfera, las dataciones de radiocarbono se calculan desde 1950. La escala temporal del carbono 14 contiene otras fuentes de incertidumbre que pueden producir errores entre 2.000 y 5.000 años. El problema más grave es la contaminación posterior al depósito, que puede estar causada por filtración de agua subterránea, por incorporación de carbono más antiguo o más joven, y por captación de impurezas en el terreno o en el laboratorio.

No obstante,  el principio de datación por carbono-14 también se puede aplicar a otros isótopos. En concreto, el Potasio-40 es otro elemento radioactivo que se encuentra de forma natural en su organismo y tiene un período de 1,3 mil millones de años. Otros radioisótopos útiles para la datación son: el Uranio-235 (período = 704 millones de años), el Uranio-238 (período = 4,5 mil millones de años), el Torio-232 (período = 14 mil millones de años) y el Rubidio-87 (período = 49 mil millones de años).

 

El uso de varios radioisótopos permite datar muestras biológicas y geológicas con un alto grado de exactitud. Sin embargo, la datación por radioisótopo puede no funcionar tan bien en el futuro. Cualquier objeto que muriera después de 1940, cuando las bombas nucleares, los reactores nucleares y las pruebas nucleares al aire libre comenzaron a cambiar cosas, será más difícil datar con exactitud.

 

Existen nuevas técnicas utilizadas para datar depósitos de rocas determinando concentraciones de isótopos de renio y osmio.

 

Otra fuente de información sobre el clima y los ecosistemas del pasado nos la dan los huellas dejadas por el hielo en el pasado. Sabemos que hubo glaciares en las más altas cadenas montañosas ibéricas, pero es difícil establecer su historia. Para empezar, se desconoce cuál fue la extensión de los hielos ibéricos en la penúltima glaciación, llamada glaciación Riss, en realidad un ciclo con dos fases frías o máximos glaciares y una fase templada intermedia. En la última glaciación, llamada Würm, también hubo dos momentos especialmente fríos y secos (dos máximos glaciares). El último de ellos alcanzó su apogeo hace 20.000-17.000 años. Las marcas dejadas por los hielos en las diferentes épocas se superponen y las últimas borran a las anteriores. Por eso son más fáciles de reconstruir los últimos glaciares. Hay muchas huellas de glaciares en las montañas ibéricas que parecen muy frescas, como si los hielos se hubieran derretido hace poco tiempo. Son sin duda glaciares de la última glaciación, pero ¿cuándo descendieron hasta una altura más baja sobre el nivel del mar?

Una manera de fechar el retroceso de los glaciares es datando las lagunas que se forman en los valles y circos glaciares cuando se retira el hielo y los depósitos de rocas arrastrados por los glaciares (las morrenas) actúan como presas que impiden el drenaje del agua. La materia orgánica que se acumula entonces en estas pequeñas cuencas permite su datación por el método del radiocarbono (y además contiene granos de pólen que nos informan de la vegetación de los alrededores). Por este procedimiento se ha podido descubrir que ya existían lagunas de origen glaciar hace más de 25.000 años en los Pirineos y en la cordillera Cantábrica. Parece que estos glaciares alcanzaron su cota más baja hace 50.000 años, estabilizándose luego hasta que hace 30.000 años empezó a reducirse sensiblemente la superficie de las montañas cubierta por los hielos.

 

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