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Carbonio-14

isotopo del carbonio
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Il carbonio-14 (14C) o radiocarbonio è un isotopo radioattivo del carbonio avente 6 protoni e 8 neutroni. Fu scoperto il 27 febbraio 1940 da Martin Kamen e Sam Ruben al laboratorio radiologico dell'Università della California di Berkeley, ma la sua esistenza era già stata ipotizzata da Franz Kurie nel 1934.[1]

Carbonio-14
Generalità
Simbolo14C
Protoni6
Neutroni8
Peso atomico14,0032419887
Abbondanza isotopica<10−12%
Proprietà fisiche
Spin0
Emivita5 730 anni
Decadimentoβ−
Prodotto di decadimento14N
Energia di legame7,520319 MeV
Energia in eccesso3,01989305 MeV

Presenza in natura

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I tre isotopi del carbonio naturalmente presenti sulla Terra sono: 12C (99%), 13C (<1%) e in tracce il 14C. Il carbonio-14 è presente in natura con un'abbondanza relativa di 1 parte su mille miliardi di tutto il carbonio presente sulla Terra, a causa di un tempo di dimezzamento di soli 5730 anni.[2] La principale fonte di carbonio-14 sulla Terra è la reazione tra i raggi cosmici e l'azoto gassoso presente nell'atmosfera (nella troposfera e nella stratosfera): l'assorbimento di neutroni termici da parte dell'azoto forma un atomo di carbonio-14:

14N + n → 14C + p
 
14C atmosferico in Nuova Zelanda[3] e Austria.[4] La curva della nuova Zelanda è rappresentativa per l'emisfero sud, la curva austriaca è rappresentativa per l'emisfero nord. Gli esperimenti atmosferici di armi nucleari hanno raddoppiato la concentrazione di 14C nell'emisfero nord.[5]

La produzione maggiore di carbonio-14 avviene ad una quota tra i 9 e i 15 km e ad alte latitudini geomagnetiche. Il carbonio-14 così prodotto reagisce con l'ossigeno per dare anidride carbonica 14CO2, che viene riutilizzata dalle piante durante la fotosintesi clorofilliana. In questo modo il carbonio-14 si trasferisce nei composti organici e, attraverso la rete alimentare, è presente ovunque secondo un preciso rapporto (abbondanza isotopica).[6] Essa penetra anche negli oceani, sciogliendosi nell'acqua.

Il carbonio-14 è anche prodotto nel ghiaccio da neutroni che causano reazioni di spallazione nucleare nell'ossigeno.

Il carbonio-14 può inoltre essere prodotto dai fulmini[7][8] ma in quantità trascurabili in confronto ai raggi cosmici.

Occasionalmente possono verificarsi dei picchi. Per esempio, vi è la prova di un aumento insolitamente alto del tasso di produzione nel periodo compreso tra il 774 e il 775 d.C.,[9] causato probabilmente da un evento estremo, rappresentato dal brillamento solare più forte degli ultimi dieci millenni.[10][11]

Usi

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  Lo stesso argomento in dettaglio: Metodo del carbonio-14.

Grazie alla sua lunga emivita rispetto alla vita degli organismi viventi, il carbonio-14 rimane integrato in ogni sistema organico vivente. Dopo la morte, l'organismo smette di assumere carbonio-14. La quantità dell'isotopo presente nell'organismo nell'istante della sua morte andrà via via affievolendosi negli anni a causa del decadimento radioattivo.

Questo principio è sfruttato nella datazione radiometrica di campioni organici, tecnica con la quale si misura la quantità residua di carbonio-14 presente in un reperto archeologico organico (come un fossile o una struttura in legno): conoscendo la curva di decadimento e la quantità iniziale di carbonio-14 presente nel reperto quando la sua struttura organica era ancora vitale (ovvero un istante prima di morire), si può facilmente stabilire quanti anni sono trascorsi dalla morte dell'organismo. In generale, è possibile radiodatare solo reperti risalenti fino a 40 000-60 000 anni fa.[6]

La maggior parte dei prodotti chimici prodotti dall'uomo sono ottenuti a partire da combustibili fossili come il petrolio o il carbone, dove il carbonio-14 è decaduto. La presenza di tracce isotopiche di carbonio-14 in un campione di materiale carbonaceo indica quindi una possibile origine biogenica.

Formazione durante test nucleari

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I test nucleari superficiali che vennero eseguiti in molti paesi tra il 1945 e il 1980 hanno drammaticamente aumentato la quantità di carbonio-14 nell'atmosfera e quindi anche nella biosfera. Da quando i test sono stati sospesi la concentrazione dell'isotopo ha cominciato a diminuire. Infatti la concentrazione di carbonio-14 in atmosfera corrisponde attualmente ad un'attività di 238 Bq/Kg[13] (prima dei test nucleari avvenuti a partire dal 1950 corrispondeva a 226 Bq/Kg[13]).[12]

Decadimento e radioattività

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Il carbonio-14 ha un'attività specifica (definita come il rapporto tra l’attività, A (Bq), di una sostanza radioattiva contenente un radionuclide e la massa in grammi quel radionuclide presente nella sostanza) di 1,66.1011 Bq/g.[13]

Il carbonio-14 subisce un decadimento beta- e decade quindi per emissione di un elettrone dando origine al nucleo figlio di azoto-14:

14C → 14N + e− + νe + 156,476 keV[2]
 
1: Formazione del carbonio-14
2: Decadimento del carbonio-14
3: L'equazione con l'uguale è per gli organismi viventi, mentre quella con il diverso è a ciclo vitale terminato, nel quale il 14C decade (Vedi 2).

Note

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  1. ^ Martin D. Kamen, Early History of Carbon-14: Discovery of this supremely important tracer was expected in the physical sense but not in the chemical sense, in Science, vol. 140, n. 3567, 1963, pp. 584-590, Bibcode:1963Sci...140..584K, DOI:10.1126/science.140.3567.584, PMID 17737092.
  2. ^ a b Wolfram Alpha Computational Knowledge Engine - Carbon-14.
  3. ^ M.R. Manning e W.H. Melhuish, Atmospheric δ14C record from Wellington, in Trends: A Compendium of Data on Global Change. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, 1994. URL consultato l'11 giugno 2007 (archiviato dall'url originale il 1º febbraio 2014).
  4. ^ Levin, I., δ14C record from Vermunt, in Trends: A Compendium of Data on Global Change. Carbon Dioxide Information Analysis Center, 1994. URL consultato il 24 giugno 2011 (archiviato dall'url originale il 23 settembre 2008).
  5. ^ University of Utrecth.
  6. ^ a b P. Bosco, A. Giovannini, G. Plancher, M. Vulcan.
  7. ^ (EN) L. M. Libby, H. R. Lukens "Production of radiocarbon in tree rings by lightning bolts", Journal of Geophysical Research, Volume 78, Issue 26, October 1973, pp.  5902-5903 (abstract) Archiviato il 15 novembre 2017 in Internet Archive.
  8. ^ (EN) Davide Castelvecchi, "Lightning makes new isotopes. Physicists show that thunderstorms trigger nuclear reactions in the atmosphere." Nature, Nov. 22, 2017.
  9. ^ (EN) Fusa Miyake, Kentaro Nagaya, Kimiaki Masuda e Toshio Nakamura, A signature of cosmic-ray increase in ad 774–775 from tree rings in Japan (PDF), in Nature, vol. 486, 2012, pp. 240-2, Bibcode:2012Natur.486..240M, DOI:10.1038/nature11123, PMID 22699615 (archiviato dall'url originale il 6 luglio 2015).
  10. ^ (EN) Usoskin, The AD775 cosmic event revisited: the Sun is to blame, in Astron. Astrophys., vol. 552, 2013, pp. L3, Bibcode:2013A&A...552L...3U, DOI:10.1051/0004-6361/201321080.
  11. ^ (EN) Mekhaldi, Multiradionuclide evidence for the solar origin of the cosmic-ray events of ᴀᴅ 774/5 and 993/4, in Nature Communications, vol. 6, 2015, p. 8611, DOI:10.1038/ncomms9611, PMC 4639793, PMID 26497389.
  12. ^ I test nucleari superficiali che vennero eseguiti in molti paesi tra il 1945 e il 1980 hanno drammaticamente aumentato la quantità di carbonio-14 nell'atmosfera e quindi anche nella biosfera. Da quando i test sono stati sospesi la concentrazione dell'isotopo ha cominciato a diminuire. Infatti la concentrazione di carbonio-14 in atmosfera corrisponde attualmente ad un'attività di 238 Bq/Kg[13] (prima dei test nucleari avvenuti a partire dal 1950 corrispondeva a 226 Bq/Kg[13])
  13. ^ R. F. Laitano, https://www.enea.it/it/seguici/pubblicazioni/pdf-volumi/2019/fondamenti-dosimetria-radiazioni-ionizzanti-5a-ed.pdf, in FONDAMENTI DI DOSIMETRIA DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI[collegamento interrotto] (PDF), ENEA, 5ª edizione, p. 261.

Bibliografia

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Voci correlate

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Altri progetti

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Collegamenti esterni

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