El método del carbono 14 (14C) para datar restos antiguos de materiales orgánicos (como la madera, huesos, carne e incluso los tejidos textiles) supuso una revolución en el campo de la datación histórica y antropológica
Con ese método se han fijado las fechas de la historia del antiguo Egipto o se han descubierto errores en la cronología de las pinturas rupestres Europeas. Estudios realizados por investigadores de la Universidad de Oviedo en la cueva del Sidrón (Asturias) han aportado luz sobre la transición en Europa del hombre de Neanderthal al Homo Sapiens y le han dado una antigüedad de unos 49.000 años, mientras que las dataciones anteriores daban una antigüedad de 10.000 años.
El método del Carbono 14 se ha convertido en una herramienta de importancia vital para antropólogos, arqueólogos e historiadores y, como puede utilizarse para fechar objetos de más de 60.000 años, también para geólogos que estudian la historia muy reciente de la Tierra. (No puede emplearse para establecer una cronología de los dinosaurios que se extinguieron hace 65 millones de años).
Resulta interesante conocer cómo se forma el Carbono 14 y cómo se incorpora a los seres vivos en la cadena alimenticia. El carbono 14 se forma a partir de los rayos cósmicos del Sol cuando colisionan con los átomos del nitrógeno de la atmósfera y los convierten en el isótopos radiactivos 14C, los cuales reaccionan con el oxígeno atmosférico para formar dióxido de carbono (CO2) radiactivo. En el choque, el núcleo del nitrógeno, que tiene siete protones y siete neutrones, se transforma carbono con seis protones y ocho neutrones según la siguiente reacción:
Gracias a la luz solar, las plantas captan el CO2 normal junto con el CO2 radioactivo y liberan el oxígeno (O2) en el proceso de la fotosíntesis, Así, el carbono entra en la cadena alimenticia a través de las plantas y de ellas pasa a los animales.
Los rayos cósmicos transforman nitrógeno en 14C en una proporción relativamente pequeña. De hecho la proporción en la atmósfera es:
Las plantas captan el carbono de la atmósfera y animales lo adquieren de las plantas por ingestión. Pero cuando los seres vivos mueren se hacen inertes, cesa el intercambio con la atmósfera y con los demás seres vivos y no se incorporan a sus organismos nuevos átomos de 14C y los átomos de carbono radiactivo que contenían sus cuerpos disminuyen a medida que se transforman en nitrógeno, según la reacción:
En 1940 M. Kamen (1913-2003) y S. Ruben (1913-1943) descubrieron el 14C bombardeando grafito en el ciclotrón con la intención de utilizar el isótopo como rastreador de las reacciones químicas de la fotosíntesis. Pero en 1949 W. Libby (1908-1980) en de la Universidad de Chicago determinó el periodo de semidesintegración (o vida media) del isótopo 14C que era de 5730 años (El periodo de semidesintegración de una sustancia radiactiva es el tiempo necesario para que se desintegren la mitad de los núcleos de esa sustancia, es decir, que quede reducida a la mitad).
Desde ese momento el 14C, aunqu,e se utilizó para hacer rastreos de las reacciones de la fotosíntesis adquirió una enorme popularidad por ser la herramienta más importante para realizar dataciones históricas, arqueológicas y antropológicas.
Conociendo la relación (1) y que el 14C tienen un periodo de semisedesintegración de 5730 años, por lo tanto, que en 5730 años se reduce la cantidad a la mitad, después de 11.520 años se reduce a la cuarta parte, a los 17200 a la octava parte… y a los 60.000 años se reducirá a menos de la milésima parte y quedará una parte tan pequeña de 14C que el espectrómetro de masa no podría detectarla, porque sería una cantidad de isótopo semejante al margen de error del aparato.
El 14C contenido en una muestra de carbono se puede medir por varios procedimientos. Destacaremos el de los detectores de ionización gaseosa, o contadores proporcionales porque tiene relación directa con la reacción de desintegración del 14C en 14N y un electrón. El procedimiento consiste en lo siguiente:
- Limpiar la muestra de impurezas.
- Quemar la muestra para que el carbono de la muestra se convierta en dióxido de carbono (CO2).
- Un vez purificado el CO2, se introduce en un aparato llamado «contador proporcional, que cuenta el número de electrones emitidos por la muestra (cada descomposición atómica del 14C emite un electrón).
- Según la cantidad de electrones detectados en un plazo de tiempo concreto, puede determinarse la cantidad de 14C presente en la muestra y, por lo tanto, determinar cuánto tiempo ha pasado desde la muerte de la muestra biológica.
El segundo procedimiento es del de la espectrometría de masas en el que se mide directamente la proporciónde de átomos de 14C. Es el método que proporciona una mayor precisión a las dataciones, reduciendo el margen de error a ±40 años. Su funcionamiento es el que sigue:
- Calentar la muestra y separar los átomos de carbono con lo que se ionizan, se convierten en partículas cargadas y se introducen en un acelerador de partículas.
- Los iones de carbono, cargados y acelerados, se someten un potente campo magnético de forma que se desvían según sus masas.
- El carbono normal 12C y sus isótopos, 13C (que también se forma en la armósfera) y 14C, se desvían de formas diferentes. (más el 12C por tener menor masa, algo menos el 13C y aún menos el 14C ). Cada uno de ellos sigue una trayectoria distinta, acaban en un detector diferente por lo que pueden medirse las relaciones entre ellos.
Con el espectrómetro de masa puede medirse con mucha precisión la cantidad de átomos de la muestra independientemente de su actividad radiactiva, y con mucha menor cantidad de material. Se pueden obtener resultados satisfactorios con sólo 1mg de muestra
El fundamento para datar un fósil se basa en los siguientes supuestos (simplificando):
Se supone que la tasa de producción de 14C (o sea, de la cantidad de rayos cósmicos que llegan a la Tierra) ha sido constante (con reservas) durante los últimos 60.000 años. Conocer el cambio producido en la proporción 14C/12C y recordar que la vida media del 14C es corta (5730 años) y que el método sólo se puede aplicar a materiales biológicos con una antigüedad menor de 60.000 años. Se usa mucho en Arqueología. Sirve para datar la época del Pleistoceno (Edad de Hielo).
Conocidas las proporciones de 14C en diferentes épocas el cálculo matemático de la edad de un fósil se puede a partir de la ecuación diferencial de la desintegracuón radiactiva, del siguiente modo:
N’(t) = – k·N (t) ⇒ N (t) = C·e –k·t
N0 es cantidad de 14C que un animal al morir, t = 0 y Nt la cantidad de 14C que tiene en el momento t que lo hemos encontrado:
N (t) = C·e –k·t haciendo t = 0 N (0) = N0 = C
Con lo que podemos escribir la ecuación en la forma: N (t) = Nt = N0·e –k·t
Además, como la vida media de 14C es 5730 años se cumple que:
N (5750) =N0/2= N0·e –k·5760 de dónde tenemos que:
Como aplicación de la fórmula que acabamos de obtener podemos averiguar la edad del fósil sabiendo que contiene el 75 % del 14C inicial.
En este caso Nt /N0 = 0,75, aplicando a fórmula anterior obtenemos:
El método funciona perfectamente para restos de hace, por ejemplo, 20 mil años, pero no para los de hace sólo 50 o 60 años se debe a que en la producción de 14C han intervenido además de los rayos cósmicos procedentes del Sol las radiaciones de las explosiones nucleares