¿Cómo datamos las cosas? El método del carbono-14 y otros elementos radiactivos.

Aprovechando que en la última entrada estuve hablando sobre por qué los átomos de algunos elementos se transforman en otros porque son inestables, voy a aprovechar que tenemos el tema fresco para hablar sobre cómo somos capaces de conocer la antigüedad de las cosas que nos rodean. Cosas como… Yo que sé… Un hueso encontrado en un yacimiento prehistórico, un fósil de una criatura que vivió en los albores de los tiempos o el propio planeta Tierra.

Así que, en primer lugar, vamos a hablar de una técnica que seguramente nos sonará a todos: la datación por carbono-14.

Como había comentado en la entrada anterior, los átomos están compuestos por protones, neutrones y electrones y el número de protones que contiene el núcleo de un átomo determina a qué elemento corresponde.

El carbono, en concreto, es el elemento que contiene 6 protones en su núcleo. La vida en la Tierra depende de él: los seres vivos lo toman de su entorno para dar forma a las proteínas, aminoácidos y todas las moléculas que componen sus cuerpos. Ese de su entorno es importante para entender el tema de la datación.

La forma más estable del carbono es la que contiene 6 protones y 6 neutrones y, por tanto, tiene 12 partículas en su núcleo. De ahí a que le llamemos carbono-12. Este isótopo representa el 99% del carbono presente en nuestro planeta, así que cuando hablamos de carbono a secas se sobreentiende que hablamos del carbono-12.

Pero hay dos formas de carbono que también podemos encontrar en la Tierra: el carbono-13 (con 6 protones y 7 neutrones en su núcleo) y la estrella de esta entrada, el carbono-14 (con 6 protones y 8 neutrones). El porcentaje de carbono-13 en nuestro entorno es sólo el 1% del carbono total y el carbono-14 representa sólo un 0,0000000001% del carbono total. Esto significa que, de cada diez mil millones de átomos de carbono que encontremos sólo uno estará en la forma de carbono-14.

El carbono-14 se forma en las capas altas de la atmósfera, cuando los rayos cósmicos procedentes del espacio se estrellan contra algún átomo de nitrógeno que esté pululando por ahí. El nitrógeno contiene 7 neutrones y 7 protones pero, al ser golpeado por un neutrón a grandes velocidades, el impacto hace que uno de los protones del nitrógeno salga despedido del átomo. Con el neutrón ahora incrustado, lo que queda es un núcleo con 6 protones y 8 neutrones o, lo que es lo mismo, carbono-14.

El carbono-14 tiene las mismas propiedades químicas que el carbono-12, así que no tiene problema en combinarse con el oxígeno de la atmósfera para formar dióxido de carbono, que termina precipitándose hasta el suelo y siendo absorbido por las plantas. Como los herbívoros comen plantas y los carnívoros comen herbívoros, al final el carbono-14 termina repartido por toda la cadena alimentaria.

Y aquí viene la parte importante.

El núcleo de los átomos de carbono-14 es inestable, así que tiende a adaptar una forma más estable mediante un proceso llamado desintegración beta, en el que uno de los neutrones se separa en un protón y un electrón. Por tanto, uno de los neutrones del carbono-14, con 6 protones y 8 neutrones, es capaz de separarse espontáneamente en un protón y un electrón, con lo que el número de protones aumentará hasta los 7 y el de neutrones se reducirá a 7. De esta manera. con el tiempo, el carbono-14 vuelve a convertirse en nitrógeno-14.

Este proceso es espontáneo y no hay manera de saber cuándo a un átomo inestable le dará por soltar una partícula o convertir uno de sus neutrones en un protón y un electrón para estabilizarse. Pero, aunque no tengamos manera de saber cuándo se desintegrará un átomo individual sí que sabemos que tiene cierta probabilidad de hacerlo en un momento dado cualquiera.

De esta probabilidad viene el concepto de periodo de semidesintegración: se trata de la cantidad de tiempo que tardará la mitad de los átomos de un montón de un elemento inestable cualquiera en descomponerse para formar otro elemento. En el caso del carbono-14, este periodo es de 5.730 años.

O sea, que dada una cantidad de carbono-14 cualquiera, átomos que la componen se irán transformando en nitrógeno de manera aleatoria de esta manera:

Por otro lado, el carbono-14 se forma a un ritmo más o menos constante en la atmósfera, así que la proporción entre las distintas formas de carbono también se mantendrá constante (ese 0.0000000001% del que hablaba antes). También sabemos que, como los seres vivos toman el carbono de su entorno, esa es la proporción en la que estará presente en el interior de sus cuerpos.

O sea, que si encontramos un hueso viejo y queremos saber en qué punto del pasado vivió el animal al que perteneció tan sólo necesitamos tomar una muestra, mirar qué cantidad de carbono contiene y medir cuánto es carbono-14 y cuánto es carbono-12. Sabiendo que la proporción de carbono-14 debería ser de una parte por cada diez mil millones en el momento en el que ese animal fijó el carbono en su cuerpo y el ritmo al que se descompone, podemos calcular cuándo ese carbono-14 empezó a descomponerse (y, por tanto, cuándo vivió el animal) basándonos en cuánto queda en la muestra.

Así dicho en palabras puede sonar confuso, pero en el siguiente ejemplo se verá todo más claro.

Si en un hueso encontramos una proporción de carbono-14 de un átomo por cada 40.000 millones en vez de por cada 10.000 millones de carbono-12, significará que la cantidad de carbono-14 original ha pasado por dos periodos de desintegración y que cada uno ha descompuesto la mitad del material. Por tanto, el animal al que pertenece el hueso fijó ese carbono hace alrededor de 11.460 años.

¿Y cómo sabemos que este método funciona bien y que no estamos datándolo todo en épocas absurdas?

A todos nos suena eso de que contando los anillos de un árbol podemos conocer su edad, ¿no? Estos anillos aparecen porque la velocidad de crecimiento de los árboles varía durante el año, siendo mucho más rápida en primavera y verano que en invierno y otoño.

Como podemos conocer la edad de un árbol de manera muy precisa simplemente contando sus anillos, sabemos que la técnica de datación por carbono funciona porque los resultados obtenidos con ella se corresponden con la edad de los árboles cuando contamos sus anillos.

Pero eso no significa que el método no tenga sus limitaciones.

Por un lado, teniendo en cuenta la proporción diminuta en la que se encuentra el carbono-14 en los restos de seres vivos, después de 8 o 9 periodos de semidesintregración queda demasiado poco carbono-14 en una muestra como para poder detectarlo con precisión, así que con esta técnica no podemos obtener edades precisas para cosas que tengan más de unos 50.000 años de antigüedad.

Por otro lado (un lado mucho más curioso), la técnica de datación por carbono-14 no sirve para conocer la edad de restos de seres vivos que han vivido después de 1955. ¿Se os ocurre por qué? ¡Apartad la vista de la pantalla y pensad en ello un momento, bribones!

La respuesta es la detonación de las primeras bombas nucleares: la cantidad de neutrones emitida por los ensayos repetidos de armas atómicas durante y después de la segunda guerra mundial convirtió una gran cantidad de átomos de nitrógeno en carbono-14 de manera “artificial”, añadiendo suficiente carbono-14 extra a la atmósfera como para que su ritmo de formación ya no pueda ser considerado constante.

Vale, vale, ¿Y qué pasa con las rocas, por ejemplo? ¿Cómo sabemos que tienen millones de años? ¿Usamos el carbono-14 para eso también? No tendría sentido si el límite está en 50.000 años, ¿no?

Tú lo has dicho, voz cursiva, no lo tendría. La datación por carbono-14 tan sólo sirve para cosas que han tomado carbono de la atmósfera en un pasado relativamente reciente (comparado con la escala de tiempo geológica) y lo han fijado en su propia estructura interna, como los seres vivos.

Aunque, de todas maneras, el principio para calcular la edad de las rocas es el mismo: buscar en una piedra un elemento que se descompone con el tiempo y medir en qué proporción se encuentra respecto al producto de su desintegración para calcular cuándo se formó.

Esto es posible porque, aunque las rocas no sean seres vivos, las rocas también asimilan en su interior elementos inestables en el momento de su formación: cuando el magma líquido se empieza a enfriar y los elementos que contiene disueltos empiezan a combinarse para formar cristales (explicaba con más detalle cómo se forman los minerales en esta otra entrada), los átomos de estos elementos inestables quedan “congelados” en una estructura sólida.

Y aquí es donde entran en juego los elementos inestables: cuando dentro de la estructura cristalina de un mineral encontramos elementos que no pintan nada ahí dentro por sus propiedades químicas, significa que originalmente existía un elemento químico inestable en su interior que, con el tiempo, se ha transformado en otro.

De nuevo, pongamos un ejemplo para entenderlo mejor.

La técnica que nos permite reconocer la edad de las rocas más antiguas es la datación por la cadena uranio-plomo. El uranio-238, como buen elemento inestable que es, tiende a perder protones y neutrones a medida que se convierte en otros elementos inestables hasta que, una vez ha perdido suficientes, el proceso termina en el plomo-206 que por fin es estable.

(Fuente)

Existe un mineral llamado circón que, como su nombre indica, está compuesto por una molécula que contiene circonio (junto con un óxido de silicio). Como el uranio tiene unas propiedades químicas similares a las del circonio, a veces es capaz de colarse en la estructura cristalina del circón durante su formación y ocupar el lugar de uno de los átomos de circonio.

Con el tiempo, el uranio termina por descomponerse en plomo. Pero como sabemos que, por sus propiedades químicas, el plomo no podría siquiera haberse colado en la estructura cristalina del mineral en primer lugar,  significa que todo el plomo que contiene un cristal de circón proviene de la descomposición de una cantidad inicial de uranio.

Midiendo la proporción entre uranio y plomo que hay en un mineral, podemos saber cuándo se formaron sus cristales. Básicamente: cuanto más plomo contenga un cristal de circón en proporción al uranio, más antiguo será.

Este método de datación tiene la gran ventaja de que el periodo de semidesintegración del uranio es extremadamente largo, de más de cuatro mil millones de años (4.468 millones, para ser más exacto), por lo que nos permite medir la edad de cosas extremadamente viejas.

Por poner un ejemplo, digamos que analizamos un cristal de circón y descubrimos que contiene 100 átomos de uranio y plomo. De esos 100 átomos, 75 son de uranio y 25 son de plomo. Como sabemos que originalmente esos 100 átomos debían ser de uranio, eso significa que una cuarta parte de ellos ya se ha transformado en plomo. Por tanto, como sabemos que el 50% del uranio tardará 4.468 millones de años en transformarse en plomo, podemos deducir que ha transcurrido la mitad un 41% de ese tiempo desde el momento en el que el cristal se formó y que, por tanto, tiene una edad de 2.234  1.854 millones de años (se me había ido la olla, la semidesintegración de un elemento es un fenómeno exponencial).

Viene siendo algo así como entrar en una habitación y encontrarse con un bloque de hielo medio fundido: si conocemos la temperatura a la que se encuentra la habitación, podemos calcular cuándo el hielo fue puesto ahí basándonos en la proporción de agua congelada y líquida que existe.

Gracias a esta técnica, en febrero de 2014 en Jack Hills (Australia) fue descubierto el cristal de circón más antiguo encontrado hasta la fecha con 4.375 millones de años de antigüedad. De este hecho podemos concluir que la Tierra lleva existiendo, como mínimo. 4.375 millones de años.

En realidad la edad del planeta es algo superior, ya que esta fecha pertenecería a la época en la que la temperatura del planeta había bajado lo suficiente como para que el cristal pudiera solidificarse y capturar los átomos de uranio en su interior.

En realidad, los análisis de elementos inestables en el interior de meteoritos han revelado que casi todos los meteoritos tienen una edad de alrededor de 4.600 millones de años, por lo que se supone que fue por aquel entonces cuando empezaron a formarse cuerpos rocosos en el sistema solar.

Estos cuerpos rocosos empezarían a chocar entre ellos mientras daban vueltas alrededor del recién formado sol, formando objetos cada vez más grandes hasta que terminaron por formar los planetas. Mientras se formaba la Tierra, la energía liberada por todos estos impactos habría calentado el planeta hasta temperaturas a las que la roca no podría permanecer sólida, así que la Tierra empezó su vida como una gigantesca bola de magma

A medida que el planeta iba radiando calor al espacio, la temperatura de la superficie bajó gradualmente y el magma podía empezar a solidificarse para formar rocas. Por eso el mineral más viejo que hemos encontrado en la Tierra no es tan antiguo como los meteoritos: tuvo que pasar cierto tiempo hasta que la superficie terrestre se enfriara la suficiente como para que las rocas se solidificaran sobre ella.

Aquí termina la entrada de hoy, pero me parece que os podrían haber quedado dudas en mente. Recuerdo que podéis mandarme vuestras preguntas a jordipereyra@cienciadesofa.com.

 

Y como va siendo costumbre…

El libro sobre historia de astronomía de Ciencia de Sofá, “El universo en una taza de café“, está disponible en librerías tanto en España como en México y a través de internet por todo el mundo así que, si os apetece saber cómo hemos llegado a conocer todo lo que sabemos hoy en día sobre el universo, podéis hacer click en la siguiente imagen del libro para ir a la entrada donde hablo sobre él con más detalle (o sobre este texto verde para ir directamente a la página de Amazon):

15 pensamientos en “¿Cómo datamos las cosas? El método del carbono-14 y otros elementos radiactivos.”

  1. Creo que detecté un error:

    “Por tanto, como sabemos que el 50% del uranio tardará 4.468 millones de años en transformarse en plomo, podemos deducir que ha transcurrido la mitad de ese tiempo desde el momento en el que el cristal se formó y que, por tanto, tiene una edad de 2.234 millones de años.”

    No… no es lineal… es exponencial.

    Si eso fuese así, en 2234 Maños se pierde 1/4, queda el 75%=3/4
    y en otros 2234 Maños se pierde 1/4 y queda el 0.75 * 0.75 = 9/16 que no es el 8/16

    x años –> 50% = 1/2 = 2^-1
    2x años –> 25% =1/4 =2^-2
    3x años –> 12.5% = 1/8 = 2^-3

    n*x años –> 2^(-n)

    2^(-n) = 75% = 0.75
    log_2 [2^(-n)] = log_2 (0.75)

    n = – log_2 (0.75) = 0.415

    edad = n * 4468 Maños = 1854 millones de años.

  2. Buen día, amigo. He estado siguiendo tu blog desde hace unos días y me ha encantado la manera con la que explicas y, en ocasiones, desmienten las patrañas (la tierra hueca, por ejemplo).
    Esta entrada me ha recordado un oopart al que según eso no podían calcular la edad debido al material. Son las famosas calaveras de cristal de Yucatan. O al menos así se llamaban en el video. Me gustaría hicieras una entrada sobre eso.
    Te agradezco mucho y espero sigas escribiendo sobre ciencia desde tu sofá. Saludos!

  3. Excelente artículo!

    Solo una pequeña puntualización: la primera bomba nuclear se tiró en 1945, aunque la verdad no sé cuándo fueron las primeras pruebas, quizá en 1944. Se te ha metido ahí una década más.

    Salud!

  4. Quizá la puntualización no sea la mas correcta. La primera bomba nuclear que se lanzó fue la trinity en el año 1945. El problema está en la utilización del término “bomba nuclear” o “bomba atómica”.
    La mejor definición sería la de “bomba atómica” y esta engloba todas las bombas que utilizan reacciones nucleares para la obtención de la energía. Dentro de estas bombas hay varios tipos, pero que se pueden separar en dos, las de fisión y las de fusión. Las primeras bombas eran de fisión i no fue hasta el año 1952 cuando se empezaron las pruebas con las bombas de fusión o “bomba termonuclear”.

    El caso es que las bombas termonucleares son las responsables del masivo flujo de neutrones que son los causantes del incremento del C14 en la atmósfera (mediante el proceso inverso al del C14->H14).

    Por lo tanto, las primeras bombas atómicas no afectan a la cantidad de C14, son los ensayos termonucleares los que producen el incremento.

    Otro apunte, los mayores índices de C14 corresponden a los años 1963-1965, coincidiendo con las pruebas termonucleares de mayor potencia (1961-1962)

  5. y qué tal si quieres datar algún mineral que no tenga circonio-uranio-plomo, qué otros elementos de largo período de desintegración se pueden utilizar que se encuentren más a menudo… o qué otros métodos?

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