Cum a revoluţionat Carbon-14 ṣtiinţa?

     Carbon-14 (notat ¹⁴C) este un radioizotop al carbonului (numit și radiocarbon), având 6 protoni și 8 neutroni [1].

     Izotopii (din greacă “isos” - acelaṣi, “topos” - loc, deoarece ocupă aceeaṣi pozitie în Sistemul Periodic al elementelor) sunt specii atomice care prezinta același număr atomic, notat cu Z (deci, același număr de protoni), dar număr diferit de masă atomică, notată cu A (și implicit, de neutroni). Carbonul prezintă 3 izotopi principali: ¹²C, ¹³C și ¹⁴C. ¹²C și ¹³C sunt izotopi stabili, iar ¹⁴C este instabil, fiind un radioizotop, emițând radiații radioactive prin dezintegrare beta. ¹²C este cel mai răspândit dintre aceștia, abundența să fiind de 98.93%, reprezentând carbonul din lumea vie. ¹³C se găsește în proporție de 1.1%. Iar ¹⁴C se găsește într-o proporție infimă: 1 ppt (o parte la un trilion) și prezinta un timp de jumătățire de aprox. 5730 ani (timpul de înjumătățire notat cu t_1/2 reprezintă timpul necesar reducerii unui compus la jumătate din cantitatea inițială) [2].

     ¹⁴C conține în plus față de ¹²C 2 neutroni, ceea ce îl face instabil și sufera o reacție numită dezintegrare beta (reacție radioactivă prin care se emit radiații beta, un electron cu energie ridicată sau un pozitron), conform reacției:

₆¹⁴C→₇¹⁴N + e⁻ + ν _e, unde e⁻ - electron, iar ν_e - neutrin.

     Pe ce se bazează radiodatarea?

       ¹⁴C este produs în troposferă și stratosferă inferioară de către  acţiunea radiațiilor cosmice asupra azotului prin reacția:

n + ₇¹⁴N→ ₆¹⁴C + p, unde n – neutron, iar p – proton

     Imediat după se combină cu oxigenul, rezultând CO și CO₂, gaze care difuzează în atmosferă, și hidrosferă.

¹⁴C + O₂ → ¹⁴CO + O

¹⁴CO + OH → ¹⁴CO₂ + H

     Apoi, acestea sunt preluate de fitoplancton și de plante, urmând a fi folosit în fotosinteză. Acestea, la rândul lor constituie sursa de hrană pentru animale şi om, ingerând astfel ¹⁴C. După moartea organismelor, raportul ¹⁴C/¹²C scade deoarece ¹⁴C se dezintegrează. La organimele vii acest raport este de 1.25*10¹²) [3].

Fig. 1 ciclu carbonului-14 [David K. Right, Accuracy vs. Precision: Understanding Potential Errors from Radiocarbon Dating on African Landscapes]

     Astfel, cu ajutorul timpului de înjumătățire a ¹⁴C și a următoarei ecuatii:

    unde N(t) numărul de atomi de izotopi din timpul t, N₀ numărul de atomi de izotopi din momentul 0, iar λ este o constantă, e este numărul lui Euler. Se poate determina cunoscând timpul de înjumătățire:

     Pergamentele Mării Moarte sunt importante manuscrise religioase descoperite în Deșertul Iudeei în 1946. S-a măsurat activitate de dezintegrare a ¹⁴C și s-a obținut valoarea de 10.8 dezintegrări/min/g ¹⁴C. Știind că valoarea activității de dezintegrare inițială este de 13.6 dezintegrări/min/g, aflați din ce an datează pergamentele (2019).

Fig. 2. Manuscrisele Mării Moarte [http://www.land-of-the-bible.com/The_Dead_Sea_Scrolls]

     Din datele problemei, se observă că N(t) =10.8, iar N₀ =13.6

     Știind că λ este egal cu 1.21*10^-4 ani^-1, valoare calculată recent, nu ne rămâne decât să scoatem t din ecuație și obținem:

2019-1905=114 d.Hr. S-au realizat numeroase datări, iar acestea variază între secolul al II-lea î. Hr. - secolul al II-lea d.Hr. [4].

     Măsurarea ¹⁴C se poate realiza cu ajutorul contorul Geiger-Müller pentru detectarea radiațiile ionizante precum alfa, beta și gama, însă, spectrometria de masa a acceleratorului este mai folosită deoarece este o tehnică mai rapidă și cu o acuratețe mai ridicată, măsurând direct raportul ¹⁴C/¹²C [5].

     Scurt istoric¹

     ¹⁴C a fost descoperit în 1940 de către Martin Kamen și Sam Ruben. Metoda datării cu ¹⁴C se datorează lui Willard Labby începând cu 1946. Acesta a folosit contorul Geiger-Müller și a realizat că vârsta diferitelor obiecte se poate determina cu ajutorul ¹⁴C. Ulterior, a realizat că datarea cu tritiu (³H) poate fi utilizată pentru măsurarea vârstei apelor și a vinurilor. Acesta a fost recompensat în 1960 cu Premiul Nobel pentru Chimie [6].

      Aplicaţii

     Cele mai folosite materiale în radiodatare ar fi: lemnul, combustibilii fosili, textile, oase, foraminifere, cochilii, macrofosile, CO₂ din ape, sedimente, sol, piele, papirusuri, hârtie. A adus numeroase contribuții în științe precum: arheologia, antropologie și paleontologie. Exemple concludende ar fi datarea Giulgiului din Torino, obiect care părea că ar fi fost învelit Iisus Hristos după crucificare, s-a dovedit, pe baza radiodatarii că provine din anii 1260-1390, o perioadă mult prea îndepărtată de anii în care a trăit Mântuitorul, sau datarea unor situri precum Catal Huyuk, Stonhenge, mormintele faraonilor, sau a oaselor de mamut din insula Wrangel, unde se crede că a fost locul în care mamuții au trăit cel mai recent, până în jurul anilor 2000-2200 î. Hr. În astronomie, pentru datarea meteoriților căzuți pe planetă, în dendrocronologie pentru aflarea vârstei copacilor, în oceanografie pentru a înțelege mai bine circulația oceanelor, evaluarea sedimentelor, geologie precum erupția vulcanilor, chimia și fizica nucleară, în medicină pentru diagnosticarea unor boli precum diabetul, acromegalia, gută, anemie [7], [8], [9].

Fig. 5. Negativul Giulgiului din Torino despre care se credea că ar fi fost învelit Hristos după crucificare [cnn.com]

     Concluzionând, datarea cu carbon 14 este o invenție revoluționară, care a adus la elucidarea unor probleme de interes a cercetătorilor.

     Bibliografie:

• • • https://www.britannica.com/science/isotope ;
    • E., Bar-YosefO. (2014), Radiocarbon Dating(Taylor & Francis) ;
    • Eduardo Q. Alves, Kita Macario, Philippa Ascough, and Christopher Bronk Ramsey, The Worldwide Marine Radiocarbon Reservoir Effect:Definitions, Mechanisms, and Prospects, AGU Publications, 2017;
    • Paul Flowers, Klaus Theopold, Richard Langley, William R. Robinson, Chemistry 2e, Openstax, Rice University, 2019 ;
    • Mary Malainey, A Consumer's Guide to Archaeological Science, 2011 ;
    • https://www.theguardian.com/science/2019/aug/10/most-important-isotope-how-carbon-14-revolutionised-science ;
    • http://www.c14dating.com/applic.html ;
    • Irka Hajdas, Applications Of Radiocarbon Dating Method, 2009
    • https://www.britannica.com/science/nuclear-medicine#ref221923 .

Student: Cristian Alin CUCU

Secţia Biochimie, Anul III, Facultatea de Biologie, Universitatea din Bucureşti