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La datación por carbono radiactivo determina la edad del material orgánico mediante el análisis de la proporción de diferentes isótopos de carbono en una muestra. La técnica revolucionó la arqueología cuando se desarrolló por primera vez en la década de 1950, pero actualmente está en riesgo por las emisiones de combustibles fósiles.

El carbono es el elemento principal en la ceniza y el carbón vegetal.
Imagen vía Pixabay.

También conocido como datación por radiocarbono o carbono-14 (notación científica 14 C), el procedimiento se basa en el isótopo de carbono más raro, el carbono-14. El carbono-14 se crea en la Tierra por interacciones entre el gas nitrógeno y la radiación, generalmente en los niveles más altos de la atmósfera. Con solo el 0.0000000001% del carbono en la atmósfera actual siendo 14C, es el isótopo de carbono raro que ocurre naturalmente en nuestro planeta, los otros son 12C y 13C.

A diferencia de los otros isótopos, el carbono 14 no es estable y se descompone con el tiempo. Su tiempo medio, el tiempo que tarda en degradarse la mitad de todos los átomos de 14C en una muestra, es de 5.730 años. Reunir ese fragmento de información, algunas máquinas muy costosas, muchas conjeturas y anillos de árboles antiguos permite a los investigadores determinar la edad de una muestra de material orgánico con una precisión razonable.

Suena un poco a magia, ¿no? Echemos un vistazo a cómo funciona.

¿Quién lo pensó?

Los fundamentos teóricos de la datación por radiocarbono fueron establecidos por un equipo de investigación dirigido por el químico físico estadounidense Willard Libby en 1949. Fueron los primeros en calcular la tasa de desintegración radiactiva del carbono-14 utilizando polvo de negro de carbón. Como prueba, tomaron muestras de madera de acacia de las tumbas de dos reyes egipcios, Zoser y Sneferu, y las fecharon. Su prueba mostró que la madera se cortó en el 2800 a. C. +/- 250, mientras que la datación independiente anterior estimó que provenía del 2625 a. C. +/- 75 años, por lo que su método se verificó, en su mayoría. Todavía había algunas fallas en el enfoque; los resultados se vieron ligeramente afectados por las pruebas de armas nucleares en ese momento, pero pronto se resolvieron. Una de las modificaciones más importantes al método inicial fue establecer la fecha de calibración (vamos a esto en un momento) en 1950.

Por su trabajo, Willard Libby recibiría el Premio Nobel de Química en 1960.

¿Como funciona?

La mayoría de los átomos de carbono tienen 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones.
Imagen de dominio público.

El carbono-14 se crea continuamente en la atmósfera superior: la radiación cósmica ioniza los átomos de gas nitrógeno-14 (que es nitrógeno nativo y tiene 7 protones y 7 neutrones) en átomos de carbono-14 (que tienen 6 protones y 8 neutrones). Las interacciones entre la radiación y la atmósfera en general suministran los neutrones que chocan y expulsan los protones del átomo de nitrógeno. Las propiedades químicas de un átomo (es decir, el elemento) son un producto de la cantidad de protones en su núcleo, no de su masa total más en isótopos aquí, por lo que esto lo transforma efectivamente en carbono-14.

Estos átomos de 14C luego son engullidos por el oxígeno para convertirse en CO2 regular, que es consumido por las plantas regulares a través de la fotosíntesis, y estas plantas luego son consumidas por animales regulares y así sucesivamente. Este es el proceso a través del cual el 14C se convierte en parte de toda la materia orgánica. El 14C tiene una vida media de 5.730 años, lo que significa que se necesitan 5.730 años para que la mitad de los átomos de 14C en una muestra se degraden nuevamente en nitrógeno-14, y 5.730 más para que la mitad de lo que queda se degrade, y así sucesivamente.

Y aquí está el truco cuando estos organismos mueren, dejan de absorber carbono nuevo, incluido el carbono-14. Dado que este último isótopo no es estable, se degrada con el tiempo. Sabemos la velocidad a la que se descompone; entonces, al comparar la proporción actual de átomos de 12C a 14C en una muestra con la proporción inicial, podemos determinar cuánto tiempo hace que murió algo.

¿Cómo lo hacemos?

Un dispositivo AMS.
Imagen vía Wikimedia.

Hay tres formas principales de hacerlo, cada una con nombres que suenan muy científicos: conteo proporcional de gases, conteo de centelleo líquido y espectrometría de masas con acelerador.

El conteo proporcional de gas mide la cantidad de radiación beta, el tipo de radiación emitida durante la desintegración radiactiva emitida por una muestra. En esencia, implica medir el nivel de radiación que emite. Dado que el 14C es el único isótopo radiactivo en el material orgánico, esto le indica efectivamente cuánto hay en la muestra. Recibe su nombre del hecho de que la muestra debe transformarse en gas de dióxido de carbono (básicamente, quemarse) antes de que se pueda realizar esta medición.

El conteo de centelleo líquido es otra técnica de datación por radiocarbono con temporizador ol. Funciona con el mismo principio que el conteo proporcional de gas, pero utiliza un engranaje diferente. La muestra se convierte en líquido y se sumerge un centelleador en ella. Los centelleadores son dispositivos que emiten destellos de luz al entrar en contacto con una partícula beta. Se utilizan dos dispositivos adicionales (fotomultiplicadores) para detectar estos destellos cuando ambos los captan, se hace un conteo.

La Espectrometría de Masas Aceleradora (o Acelerada) (AMS) es la forma moderna de hacer las cosas, y con el tiempo se ha vuelto más eficiente, rápida y precisa que las demás. Es bastante simple, en realidad cuenta físicamente la cantidad de 14C, 13C y 12C en la muestra usando un espectrómetro de masas. Actualmente se prefiere AMS por su velocidad y precisión, pero también porque trabaja con muestras mucho más pequeñas que las otras dos, lo que ayuda a conservar artefactos preciosos. Para este proceso, los átomos de la muestra se ionizan (cargan eléctricamente) y se aceleran utilizando potentes imanes para eliminar gradualmente tantos átomos que no se utilizan en el recuento como sea posible. Finalmente, los isótopos de carbono-14 pasan a un detector junto con algunos otros átomos de carbono, y estos se utilizan para realizar la medición.

Calibración

Poco después de que se descubriera la datación por radiocarbono, quedó claro que la suposición de Libby de niveles constantes de 14C en la atmósfera no se sostiene, según explica un artículo publicado en 2008. El nivel se ve afectado por muchos factores complejos que han resultado imposibles de modelar [] tales como: ciclos solares, tormentas solares, variaciones geomagnéticas en la tierra y afloramiento impredecible de carbono viejo de depósitos sustanciales como los océanos. El nivel también se ha visto afectado por la actividad humana; por ejemplo, aumentó sustancialmente debido a las pruebas de la bomba atómica en la década de 1950 y ha vuelto a caer más recientemente debido a la liberación de carbono antiguo en los combustibles fósiles.

Como consecuencia, la datación por radiocarbono solo es viable si podemos obtener una estimación del nivel variable de 14C a lo largo del tiempo y, por lo tanto, podemos trazar la función que vincula las edades de radiocarbono con las edades del calendario.

En pocas palabras, necesitamos una curva de calibración.

Una curva de calibración marina para el hemisferio norte que se extiende hasta hace 50.000 años. Observe que la curva muestra un intervalo (superficie azul) y no un solo valor, y este intervalo se vuelve más amplio (más incierto) a medida que se aleja.
Créditos de imagen Bronk Ramsey / PJ Reimer et al., (2009), Radiocarbon .

Mientras desarrollaba por primera vez su método para medir el contenido de 14C, el equipo de Libby señaló la posibilidad de que la proporción de 12C a 14C en la atmósfera probablemente no se mantuviera constante con el tiempo, pero supuso que era porque no tenían forma de corregirlo y querían terminar. su investigación. A medida que la datación por radiocarbono vio más uso y las inconsistencias comenzaron a acumularse, los investigadores se dieron cuenta de que su corazonada era correcta y se dispusieron a calibrar el método.

Actualmente, la fecha de calibración utilizada para la datación por radiocarbono es el año 1950. En otras palabras, las muestras se comparan con el valor de referencia de los isótopos 12C a 14C registrados en la década de 1950. Si una muestra contiene el 25 % del carbono 14 que esperaría ver en un organismo que murió en 1950, tendría el doble de edad que la vida media de los isótopos (es decir, dos veces 5730, lo que le daría una edad aproximada de 11 460 años). ). Esta no es la edad final, sin embargo.

Todos los pasos que hemos seguido hasta ahora no nos dicen la edad de una muestra, solo la cantidad de 14C que contiene. Como hemos visto anteriormente, fechar con precisión una muestra de este tipo depende de que sepamos cuánto 14C contenía para empezar. Para saber eso, necesitamos saber cuánto había en la atmósfera mientras vivía el organismo. Este es el proceso de calibración: cambiar el nivel inicial asumido de carbono radiactivo. Es quizás la parte más complicada de todo el proceso.

La convención es suponer que la relación [isótopo de carbono] se ha mantenido constante a lo largo del tiempo y luego utilizar la calibración para compensar el hecho de que, en realidad, la relación está cambiando, Caitlin Buck, profesora del Departamento de Matemáticas y Estadística de la la Universidad de Sheffield le dijo a ZME Science. El profesor Buck se especializa en la aplicación de métodos estadísticos a la ciencia arqueológica y paleoambiental y es coautor del artículo de 2008 mencionado anteriormente.

Al principio, la necesidad de calibrar parece algo desafortunada pero, de hecho, nos permite compensar también varios otros problemas subyacentes, como el hecho de que (en un momento dado) la relación en la atmósfera no es la misma que en el océanos

Los métodos de calibración más utilizados y fiables son los árboles centenarios. Dado que los árboles construyen un nuevo conjunto de anillos cada año, actúan como archivos del 14C. A partir de los datos de los anillos de los árboles, se puede construir una línea de tiempo de los niveles de 14C. Luego, las líneas de tiempo de varios árboles se compararían y superpondrían, haciendo de este el registro más preciso del isótopo que tenemos. La forma más sencilla de hacerlo sería encontrar un anillo de árbol que contenga la misma proporción de radiocarbono que su muestra. Otros enfoques incluyen curvas de 14C compiladas de otras fuentes o para probar artefactos que fueron fechados de manera confiable a través de otros medios, aunque esta es más una solución situacional que sistémica.

Sin embargo, las variaciones anuales en las proporciones de carbono son bastante pequeñas, por lo que las fechas de radiocarbono a menudo vienen con un intervalo de variación de +/- años.

Las fechas no calibradas se denotan con la unidad BP, lo que significa años de radiocarbono antes del presente (1950). Las fechas calibradas usan la unidad calBP, calibradas antes del presente. Las fechas calibradas son la estimación final de la edad de las muestras, pero las fechas no calibradas se muestran de forma rutinaria para permitir la recalibración a medida que aumenta nuestra comprensión de los niveles de 14C a lo largo del tiempo. Los investigadores están poniendo un gran esfuerzo en extender la curva de calibración (una línea de tiempo de proporciones 14C:12C a lo largo de la historia) y aumentar su precisión. Actualmente, la curva se extiende hasta hace unos 50.000 años, pero con un relativo grado de incertidumbre sobre sus alcances más antiguos.

Limitaciones y factores externos

Imagen vía Wikimedia.

Para empezar, si no se puede establecer un nivel inicial confiable para el carbono-14, la datación por radiocarbono no se puede usar para determinar con precisión la edad de las muestras. La técnica solo se puede usar para fechar muestras de hasta alrededor de 55-60 000 años (después de lo cual el contenido de carbono-14 cae a niveles insignificantes). También es bastante costoso, particularmente AMS debido al equipo y al personal muy sensibles y altamente especializados que se necesitan para ejecutar estos procedimientos. Luego, también hay factores externos que pueden alterar el funcionamiento de la datación por radiocarbono.

El carbono-14 se crea a partir de la interacción entre la radiación y la atmósfera, y el advenimiento de la tecnología nuclear (con su plétora de armas y pruebas civiles) liberó una gran cantidad de radiación y material radiactivo, elevando significativamente la relación atmosférica.

Las muestras de bombas [es decir, las posteriores a 1950] tienen concentraciones muy altas de 14C, por lo que si está trabajando con muestras muy antiguas para arqueología, es una buena idea tener líneas de extracción separadas para las muestras de bajo nivel, Thure Cerling, un distinguido Profesor de Geología y Geofísica y Profesor Distinguido de Biología en la Universidad de Utah, le dijo a ZME Science en un correo electrónico. Es bastante fácil contaminar muestras antiguas con 14C moderno, por lo que se ha realizado un gran esfuerzo para solucionar ese problema.

Por otro lado, todas esas pruebas de armas nucleares hacen que sea muy muy fácil fechar una muestra de materia orgánica que creció durante este tiempo, siendo una de las razones por las que se seleccionó 1950 como fecha de calibración. El material orgánico formado durante o después de este período puede ser fechado por radiocarbono utilizando el aumento abrupto y la caída constante de la concentración atmosférica de 14C conocida como curva de bomba, explica un artículo en coautoría del profesor Thure en 2013.

Advierte que debe tener mucho cuidado para evitar este tipo de contaminación, aunque señala que el problema es bien conocido y que la mayoría de los laboratorios modernos han tomado suficientes precauciones para que no sea el problema que era hace 30 o 40 años.

Otro elemento que incide en esta relación es el uso de combustibles fósiles. Los combustibles fósiles se originan a partir de materia orgánica, pero debido a que se formaron durante millones de años, todo el carbono-14 que podrían haber contenido se ha degradado. Entonces, cuando se queman y su carbono se libera como CO2 en la atmósfera, es carbono-12 puro. Esto afecta aún más la proporción de isótopos de carbono y lo hace muy rápido, lo que afecta la confiabilidad de nuestros esfuerzos de datación. Juntos, estos dos factores son testimonio del amplio alcance que la humanidad ha logrado sobre la Tierra.

La contaminación con material externo, como el suelo, puede alterar la edad aparente de una muestra al mezclar carbón adicional; por lo tanto, todas las muestras se limpian a fondo con agentes químicos para eliminar cualquier contaminante. Efectos de reservorio Esto se refiere al hecho de que el agua del océano contiene una proporción diferente de isótopos de carbono que la atmósfera que debe tenerse en cuenta cuando se trata de muestras que se han sumergido o se originan en entornos acuáticos.

Para concluir

La datación por radiocarbono revolucionó la arqueología y la antropología al brindar a los investigadores una herramienta rápida y confiable para fechar materiales orgánicos. Fue una bendición para estos campos, cuyos méritos son muy difíciles de exagerar. Tanto el profesor Buck como el profesor Cerling señalaron la capacidad de los métodos para producir mediciones de edad absolutas para elementos de interés y el profesor Cerling dijo que ha revolucionado la arqueología que nos permitió hacer cara y cruz de las líneas de tiempo históricas. Los enfoques anteriores, como la seriación, solo podían usarse para fechar estructuras, culturas y artefactos en relación entre sí mediante la amplia aplicación de tiempo y trabajo buenos y anticuados.

Asimismo, es muy útil para determinar la edad del hielo en núcleos de hielo que registran el historial de CO2 y metano en la atmósfera, me dijo el profesor Cerling.

Pero el carbón radiactivo no es útil solo para fechar cosas. Usado como una molécula marcadora, puede permitir a los investigadores, por ejemplo, rastrear drogas específicas a medida que se propagan por el cuerpo, cómo se mueven las masas de agua a través de los océanos, cómo circula el carbono en la naturaleza e incluso en medicina forense para determinar cuándo una persona desconocida murió.

No está mal para un isótopo inestable del elemento más abundante de la Tierra.

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