Il C14 è un isotopo del carbonio.

I’isotopo principale del carbonio è il C12. Il suo nucleo è composto da 6 protoni e 6 neutroni. Poi c’è il C13 con 6 protoni e 7 neutroni nel nucleo. C12 e C13 sono stabili e si trovano in natura in un rapporto di 98,9% C12 e 1,1% C13.

Il C14 è un isotopo del carbonio con 6 protoni e 8 neutroni nel nucleo. Non è stabile. Si trasforma in azoto 14. Nel suo nucleo uno dei neutroni, che ovviamente è di troppo, si trasforma in un protone. Il nucleo che nasce, cioè quello del N14 (azoto 14) è composto da 7 protoni e 7 neutroni. La trasformazione del neutrone in un protone avviene con l’emissione di un elettrone e di un antineutrino. Il C14 decade direttamente nello stato fondamentale del N14. Questo ha la conseguenza che questo decadimento non è accompagnato da un’emissione di raggi gamma. Il decadimento con l’emissione di un elettrone e un antineutrino si chiama decadimento beta meno.

Da dove viene il C14?

In 5568 anni metà dei nuclei di C14 si si trasformano in N14. La nostra terra è vecchia circa 4,5 miliardi di anni. Gli elementi che compongono la nostra terra sono nati in una supernova poco prima. Del C14 di allora non c’è neanche più una traccia. Eppure si trova in concentrazioni che vanno da circa 1 parte su un milione di miliardi di C12 fino a circa 3 parti su mille miliardi.

Ci sono meccanismi che creano il C14. Il meccanismo principale si trova nell’atmosfera in altitudini da 9 a 15 km. Raggi cosmico urtano nuclei dell’atmosfera. L’energia d’urto può essere molto alta. Cioè molto più alta dell’energia di legame dei nuclei. I nuclei colpiti si disintegrano (“spallation”), i componenti volani in giro. Tra questi ci sono neutroni. Neutroni colpiscono nuclei di azoto 14. Dal nucleo di azoto 14 vola via un protone. Così il nucleo di azoto 14 è diventato un nucleo carbonio 14.

Se la radiazione cosmica è costante, troviamo nell’atmosfera una concentrazione costante di C14. Il carbonio 14 si ossida e diventa parte dell’anidride carbonica dell’atmosfera, che è la materia prima per la fotosintesi. La piante la assorbono e la trasformano in una varietà di sostanze organiche. Queste sono la base per la vita di tutti gli essere viventi. Tutti gli esseri viventi sono caratterizzati da una concentrazione di carbonio 14 uguale (incirca) a quella dell’atmosfera.

Dopo la morte non c’è più scambio con l’anidride carbonica dell’atmosfera. La concentrazione di carbonio 14 è costante durante la vita e diminuisce dopo la morte. Misurare la concentrazione del carbonio 14 serve a determinare il momento che un organismo ha smesso di vivere. Willard Frank Libby ha preso il premio Nobel nel 1960 per questo metodo.

I problemi

Il metodo C14 per la determinazione dell’età di oggetti di origine organica si basa sull’assunzione che il contenuto di carbonio 14 nell’atmosfera, quindi nelle piante viventi e quindi negli animali che si nutrono dalle piante sia costante. Non è vero.

Problema 1: I test nucleari

Intorno all’anno 1960 nell’atmosfera terrestre sono stati eseguiti test di bombe nucleari. Questi hanno prodotto un notevole numero di neutroni. Questi neutroni hanno reagito con nuclei di azoto 14 e li hanno trasformati in nuclei di carbonio 14. Il contenuto di carbonio 14 nell’atmosfera è raddoppiato.

Il grafico mostra che la concentrazione di C14 nell’atmosfera dal 1955 al 1963 – 1965 è raddoppiato.

1962: Accordo USA – Unione Sovietica a non eseguire più test nucleari nell’atmosfera. I picchi di concentrazione di carbonio 14 sono ritardati rispetto alla cessazione degli esperimenti. Ovviamente a causa di un ritardo nella distribuzione sul globo intero. Significa però che localmente le concentrazioni erano più alte.

La curva mostra deviazioni da un andamento esponenziale probabilmente a cause di esplosioni nucleari nell’atmosfera da parte della Francia nel 1974 e da parte della Cina nel 1980. Ma forse erano quantitativamente insignificanti rispetto alle 2044 esplosioni precedenti.

Il contenuto di carbonio 14 nell’atmosfera, che si trova integralmente nell’anidride carbonica, decade con una tempistica che ha niente a che fare con il decadimento radioattivo del carbonio 14. La diminuzione della concentrazione dell’anidride carbonica nell’atmosfera è causata dalla fotosintesi delle piante e dalla solubilizzazione nell’acqua.

Nei testi di climatologia che parlano dell’effetto serra causato dall’anidride carbonica si trovano valori sull’eliminazione dell’anidride carbonica dall’atmosfera estremamente discrepanti. Vanno da 10 a 100 anni di emivita. L’immissione artificiale di carbonio 14 nell’atmosfera tramite esplosioni nucleari, ha fornito i dati necessari per la determinazione della permanenza dell’anidride carbonica nell’atmosfera.

Risultato 1:

L’anidride carbonica nell’atmosfera ha un’emivita di 20 anni. L’incertezza di questo valore è dell’ordine di grandezza di un anno.

Risultato 2:

La formazione dell’equilibrio del contenuto di anidride carbonica tra l’emisfero nord e l’emisfero sud richiede circa due anni.

Risultato 3:

Il metodo C14 fa riferimento a BP (Before Present, si intende prima del 1950). Per campioni dopo il 1950 il metodo non potrà essere usato per diecine di migliaia di anni. I valore diventano ambigui.

Problema 2: La variazione dei raggi cosmici

Il campo magnetico del sole fa una parziale deviazione dei raggi cosmici. Quando il campo magnetico solare è debole, la terra è esposta di più ai raggi cosmici. L’aumento dei raggi cosmici fa aumentare la concentrazione del carbonio 14 nell’atmosfera.

Il grafico è rovescio. Sull’ordinata i valori più alti si trovano in basso. Il valore storicamente più alto (prima degli esperimenti nucleari dell’uomo) si trova alla fine del minimo di Maunder. L’aumento del circa 2% non corrisponde all’aumento dell’intensità della radiazione cosmica. Il motivo: La radiazione cosmica ad energia altissima non viene deviata dal campo magnetico solare. Ma è quella che produce più neutroni, che sono la causa della nascita del carbonio 14. Per gli acceleratori vale la regola che i neutroni vengono prodotti in misura di un neutrone ogni 25 MeV di energia del proiettile incidente.

La variazione di concentrazione del carbonio 14 causata dalla variazione della radiazione cosmica è modesta ed è possibile correggerla. Con l’aiuto di altri metodi di datazione è stata costruita una curva per la correzione dei dati:

Problema 3: La variazione del contenuto di C14 nelle piante

Le piante assorbono l’anidride carbonica dall’atmosfera, ma sono selettive per il carbonio 14 in maniera disuguale. Le bestie sono selettive nel mangiare le piante. Conseguenza: Il contenuto di carbonio 14 negli esseri viventi corrisponde al contenuto di C14 nell’anidride carbonica nell’atmosfera solo con approssimazione. Questo allarga le tolleranze nella determinazione dell’età con il metodo C14.

Problema 4: Il carbonio 14 che non proviene dalla vita

Rocce su base silice non sono mai state vive. Rocce calcaree, carbone fossile o petrolio sono nati da depositi di esseri viventi diecine o centinaia di anni fa. Tutti questi materiali non dovrebbero contenere carbonio 14. Eppure il carbonio 14, in concentrazione minima, è presente.

L’origine del carbonio 14 in questi materiali non può essere nell’anidride carbonica dell’atmosfera. Ci sono altre reazioni nucleari che l’hanno creato:

• Radiazione cosmica non fermata dall’atmosfera
• Fissione spontanea dell’uranio 238, dell’uranio 235 e del torio 232. Dopo ogni fissione nascono neutroni che possono trasformare azoto 14 in carbonio 14.
• Bombardamento di elementi leggeri con particelle alfa. Le sorgenti di neutroni più classiche nei laboratori sono fatte da radio e berillio.

Nuclei che fanno decadimenti alfa sono presenti in natura: Uranio 238, uranio 235, torio 232 e le catene di decadimenti che nascono da questi.

Come determinare l’età di un oggetto con il C14

Se il contenuto di carbonio 14 nella materia vivente ha un rapporto fisso con il carbonio 12, e se dopo la vita il rapporto tra le concentrazioni di C14 e C12 diminuisce in maniera esponenziale (emivita del carbonio 14: 5568 anni), basta determinare questo rapporto per sapere quando un materiale ha smesso di partecipare al metabolismo della vita.

In Wikipedia c’era la notizia: Si usa un contatore Geiger e si misura la radioattività di una sostanza e si calcola l’età. Qualcuno diceva anche appoggio un contatore Geiger sulle pagine di un libro e dico l’età del libo. Sbagliato, così non va proprio.

Il metodo radioattivo

Nella trasformazione del nucleo del carbonio 14 in un nucleo di azoto 14 si libera un’energia di 667,474 keV. La trasformazione, un decadimento beta meno, avviene con l’emissione di un elettrone e un antineutrino. Per la creazione dell’elettrone servono 510,999 keV. Il resto dell’energia, 156,475 keV, si divide in energia cinetica dell’elettrone e dell’antineutrino. La divisione è casuale, cioè l’elettrone può muoversi con un’energia cinetica che va da zero a 156,475 keV. L’energia media degli elettroni è 49,47 keV. A queste energie gli elettroni non penetrano un bel niente (1,5 mm in aria). In materiali come l’alluminio fanno percorsi dell’ordine di grandezza del micron. Non è possibile fare finestre per i contatori che facciano passare questi elettroni. Con un normale contatore Geiger si vede niente.

La radioattività dei campioni è bassa. Un campione di carbonio del 1950, appena uscito dal ciclo della vita, ha una radioattività del carbonio 14 di 14 decadimenti al minuto per grammo. Un campione di materiale vecchio, al limite del metodo, è circa mille volte meno radioattivo.

Per vedere qualcosa ci vogliono campioni grandi, per materiale recente qualche grammo. Per materiale vecchio di più. Il problema con i campioni è che gli elettroni del decadimento beta non escono dal campione. Si fermano prima.

Per vedere qualcosa occorre mettere il campione dentro il contatore, in distribuzione molecolare. Si usano due tipi di contatore: uno, riempito di gas con un filo elettrico al centro, usato come “contatore proporzionale” (un contatore Geiger fa la stessa altezza di impulso per ogni energia di particella, in un contatore proporzionale l’impulso elettrico è proporzionale all’energia della particella), l’altro riempito con uno scintillatore liquido, che produce lampi di luce proporzionali all’energia delle particelle. Questi lampi di luce microscopici vengono percepiti da opportuni sensori di luce, per esempio da fotomoltiplicatori.

Gli elettroni che sono sotto la soglia (in questo caso 156,475 keV) non sono distinguibili da elettroni che vengono da altri decadimenti nucleari. Questo rende necessario lavorare con strumentazione e in ambienti con bassissima attività di fondo. In reazioni che producono anche raggi gamma distinguere le reazioni è molto più facile: I raggi gamma sono monoenergetici e un sensore ad alta risoluzione li distingue benissimo. Ma il decadimento beta del carbonio 14 avviene senza emissione successiva di raggi gamma.

Il metodo spettrometria di massa

Il metodo radioattivo è stato usato per la determinazione dell’età dei materiali nei primi decenni . Dopo è stato sostituito. Invece di contare i nuclei che decadono, misurando gli elettroni prodotti, si contano tutti i nuclei di carbonio 14 prima che facciano un decadimento radioattivo. Il metodo è la spettroscopia di massa. Il carbonio va portato alla forma di gas e ionizzato. Gli ioni di carbonio vanno accelerati con un campo elettrico. Il raggio di carbonio poi va in un magnete. Il campo magnetico curva le traiettorie. Nuclei con una massa maggiore fanno un raggio di curvatura maggiore. Così si dividono i nuclei di C12 da quelli di C14 e si contano. Per materiale fresco il rapporto è uno su mille miliardi. Il limite del metodo è un po’ prima di uno su un milione di miliardi.

Per il metodo radioattivo ci vogliono campioni di qualche grammo, per la spettroscopia di massa basta qualche milligrammo.

Elmar Pfletschinger