O carbono é o elemento mais comum na Terra. Cria inúmeras ligações, principalmente com hidrogênio e oxigênio. Existem três isótopos de carbono conhecidos: 12 C, 13 C e 14 C. Este último, devido às suas propriedades radioativas, é coloquialmente chamado de radiocarbono. Sua aplicação mais importante é a determinação da idade de formações geológicas e objetos arqueológicos. Além disso, o radiocarbono é usado para estudar as mudanças ambientais.
Radioatividade do isótopo de carbono 14 C
Isótopos são um conjunto de átomos do mesmo elemento que possuem número atômico idêntico e número de massa diferente. A grande maioria dos elementos que ocorrem naturalmente tem mais de um isótopo. Suas propriedades podem ser muito diferentes. As porcentagens de isótopos individuais também variam significativamente. O carbono elementar possui três isótopos: 14 C, 13 C e 12 C. O mais comum é o 12 C – acima de 98%. Na natureza, há muito menos 13 C que pode ser encontrado. Por outro lado, o isótopo radioativo do carbono – 14 C ocorre na Terra em menor quantidade. Sua fonte são as reações nucleares de nêutrons térmicos (de origem cósmica) com núcleos de nitrogênio. Eles ocorrem na estratosfera. O isótopo de carbono 14 C decai espontaneamente. O decaimento beta produz nitrogênio não radioativo 14 N , um elétron e um antineutrino. Com o tempo, o conteúdo de isótopos radioativos de 14 C no material diminui. A intensidade da radiação que produz também diminui. O tempo após o qual o teor de carbono radioativo diminui pela metade é definido como meia-vida (característica dos elementos radioativos). Para o isótopo 14 C do carbono é 5730 anos. Assim, após esse tempo, de uma porção do 14 C radioativo resta metade dele.
Datação por radiocarbono
Uma grande parte do isótopo de carbono 14 C, que se acumula na atmosfera, é oxidada para formar 14 CO. Quando esta forma reage com o radical hidroxila (OH), é posteriormente oxidada a 14 CO 2 . O dióxido de carbono, 14 CO 2 , por sua vez, é liberado da atmosfera para a biosfera e hidrosfera (como resultado, por exemplo, da difusão, dissolução, fotossíntese). O radiocarbono 14 C é um componente de muitos compostos orgânicos. Eles assimilam nas plantas ou são dissolvidos na água do mar. A concentração do isótopo 14 C na atmosfera é várias vezes maior do que, por exemplo, nas profundezas do oceano. Assim, torna-se um marcador de isótopos natural. Com sua ajuda, é possível rastrear as mudanças que ocorrem no ambiente natural. Uma das aplicações mais importantes do isótopo 14 C é a chamada datação por radiocarbono. O dióxido de carbono contendo 14 C radioativo penetra em todos os seres vivos – plantas e animais. Os organismos participam do ciclo de troca de radiocarbono com a biosfera. Então o conteúdo do isótopo 14 C é constante. Isso muda quando o organismo morre. Quando um organismo morre, ele não absorve mais carbono 14 C, então sua quantidade diminui constantemente. O decaimento desse isótopo ocorre a uma taxa determinada pela lei de seu decaimento (o decaimento de 14 átomos de C ao longo do tempo assume a forma de uma função exponencial). A suposição citada tornou-se a base para determinar a idade dos achados arqueológicos, que é chamada de datação por radiocarbono (ou método do carbono radioativo). A comparação da proporção do conteúdo de 14 C e 12 C na matéria orgânica morta e na atmosfera permite determinar a idade do radiocarbono (o tempo desde a morte do organismo até o momento da medição). A idade do radiocarbono convencional é determinada pela comparação do conteúdo de ambos os isótopos de carbono na amostra de teste e no padrão moderno da biosfera.
Técnica AMS para medir a concentração de radiocarbono, 14 C
A medição do teor de carbono radioativo 14 C no material é complicada e requer equipamentos especializados, o que encarece todo o processo. A técnica do acelerador, AMS, explora o fato de que o 14 C é ligeiramente mais pesado comparado ao 12 C (cerca de 1,17 vezes). Uma medição paralela do conteúdo de 13 C também é feita. Os espectrômetros de massa do acelerador são usados na técnica AMS. Os vários componentes desse aparato, como fonte de íons, acelerador, ímã analisador ou analisador eletrostático, são colocados ao longo dos lados de um quadrado de 5 x 5 m. Eles são inteiramente uma câmara uniforme de alto vácuo com um comprimento de cerca de 15 metros. O dispositivo pode ser dividido em uma parte de baixa energia e uma parte de alta energia. Para determinar a proporção de isótopos de carbono individuais, o espectrômetro AMS mede os átomos de 14 C, 13 C i 12 C que são liberados do cátodo (feito do material de teste). Os íons de carbono (produzidos na fonte de íons) são direcionados para o acelerador. Lá eles são acelerados e atingem o ímã de análise. Eles ficam então na câmara de derivação, que permite a medição da corrente elétrica de ambos os tipos de íons. Por fim, os íons do isótopo radioativo de carbono 14 C, após passarem pelo analisador eletrostático, chegam ao detector que permite sua contagem. O espectrômetro AMS é um dispositivo extremamente avançado. Todas as partes do aparelho e os parâmetros operacionais atuais são controlados por um software de PC especial e podem ser controlados a partir de um console.
