Datazione con il radiocarbonio: isotopi radioattivi

La datazione con il radiocarbonio è un metodo che fornisce una stima dell’età per materiali a base di carbonio originati da organismi viventi. La datazione con il radiocarbonio è un metodo scientifico utilizzato per stimare l’età di materiali organici basati sul carbonio e derivanti da organismi viventi. Questo approccio ha rivoluzionato l’archeologia, la paleontologia e le scienze ambientali, permettendo di collocare nel tempo manufatti, resti vegetali e animali, e sedimenti organici.

Il metodo della datazione con il radiocarbonio fu sviluppato tra il 1945 e il 1955 dal chimico statunitense Willard Frank Libby, che ricevette il Premio Nobel per la Chimica nel 1960 per questo straordinario contributo. Libby ipotizzò che la concentrazione di ¹⁴C nell’atmosfera fosse costante nel tempo e che, cessati gli scambi gassosi dopo la morte dell’organismo, la quantità di isotopo iniziasse a decrescere secondo una legge esponenziale.

La datazione con il radiocarbonio ha rappresentato una delle più importanti innovazioni scientifiche del Novecento, rivoluzionando lo studio del passato.

Prima dell’ introduzione della datazione con il radiocarbonio, le datazioni archeologiche si basavano quasi esclusivamente su metodi relativi, come la stratigrafia o la tipologia degli oggetti, che spesso fornivano risultati approssimativi e controversi.

Origine del carbonio-14 nell’atmosfera

La Terra è costantemente investita da radiazioni cosmiche, costituite principalmente da protoni ad altissima energia. Quando questi raggi cosmici colpiscono gli strati superiori dell’atmosfera, generano particelle secondarie che interagiscono con i gas presenti, in particolare l’azoto:

¹⁴₇N  + ¹₀ n → ¹⁴₆C + ¹₁H

¹⁴₇N  + ¹₀ n → ¹²₆C + ³₁H

In questo modo si forma il carbonio-14 (¹⁴C o ¹⁴₆C), un isotopo radioattivo che si mescola con l’anidride carbonica atmosferica, venendo assimilato da piante tramite la fotosintesi e da animali lungo la catena alimentare.

Isotopi radioattivi

Assumendo costante il flusso dei raggi cosmici e la composizione dell’atmosfera, gli isotopi radioattivi così formati raggiungono, dopo un sufficiente periodo di tempo una concentrazione stazionaria, che rappresenta lo stato di equilibrio tra i loro processi di formazione e quelli di decadimento.

Benché tale concentrazione non sia in genere elevata, ad esempio vi è solo un atomo di ³H naturale per ogni 10¹⁶ atomi di ¹H, nondimeno è possibile misurarla con tecniche di arricchimento e di conteggio. Il fatto che la concentrazione di ¹⁴₆C sia rimasta presumibilmente stazionaria nel corso degli ultimi 50.000-100.000 anni fornisce la base del metodo messo a punto da Libby  per datare campioni di materiale organico.

Infatti un tessuto vivente come, ad esempio una pianta, che produce il materiale organico come, nella fattispecie il legno, è in equilibrio con l’atmosfera durante la sua vita. Quindi il legno contiene una certa concentrazione di ¹⁴₆C corrispondente a quella della CO₂ utilizzata dalla pianta per sintetizzarlo. Morta la pianta, cessano gli scambi gassosi e la concentrazione di ¹⁴₆C decresce a causa del suo decadimento. Per esempio i campioni di petrolio sono assolutamente privi di ¹⁴₆C in quanto formulati in ere geologiche così lontane che tutto il ¹⁴₆C in essi contenuto è, nel frattempo, decaduto.

Tempo di dimezzamento

La concentrazione di ¹⁴₆C decresce secondo la legge

N = N_oe^-0.693(t/T)

 dove T, tempo di dimezzamento del ¹⁴₆C corrisponde a 5730 anni. Misurando con contatori molto sensibili il numero N di atomi di carbonio contenuti in ogni grammo di carbonio del reperto che si intende datare, e assumendo che il loro numero iniziale N_o fosse uguale al numero di atomi di ¹⁴₆C contenuti in ogni grammo di C che si trova negli organismi attuali, assumendo cioè che il flusso dei raggi cosmici sia rimasto invariato, è possibile calcolare t, ovvero l’età del reperto.

Per esempio un manufatto ligneo datato 5000 anni contiene una quantità di carbonio pari a circa la metà di quella iniziale dal momento che l’età dell’oggetto è vicina a quella di dimezzamento del ¹⁴₆C. L’applicabilità del metodo di datazione con il radiocarbonio, che ha importanti riflessi storici e archeologici, si estende a un massimo di 20.000-25.000 anni.

Limiti della datazione con il radiocarbonio

Il metodo della datazione con il radiocarbonio, tuttavia, presenta alcuni limiti in quanto l’ipotesi fondamentale su cui si basa , ovvero la costanza del rapporto ¹⁴₆C/¹²₆C, nel corso dei millenni non è del tutto fondata. Gli archeologi hanno dimostrato, per esempio, che alcuni manufatti trovati in tombe egizie  di una determinata dinastia, e aventi quindi una datazione sicura, risultavano al metodo del radiocarbonio molto più recenti.

Questo fenomeno si spiega che la quantità di carbonio radioattivo presente nell’atmosfera all’epoca dei Faraoni, fosse maggiore del previsto. Studi effettuati hanno evidenziato che nei millenni si sono verificate sensibili fluttuazioni nella quantità di ¹⁴₆C: ad esempio il carbonio-14 in reperti del 400 a.C. è lo stesso che in altri del 7000 a.C.

Dal XX secolo in poi le modificazioni non più naturali, ma prodotte dall’uomo, sono divenute evidenti. L’aumentato consumo di combustibili fossili che contengono pochissimo carbonio-14 tendono ad abbassare il contenuto percentuale di questo isotopo nell’atmosfera. All’opposto nuovo ¹⁴₆C di origine artificiale è stato generato da esperimenti nucleari.

Metodi alternativi alla datazione con il radiocarbonio

A causa del limiti della datazione con il radiocarbonio hanno sempre più preso piede metodi alternativi come la termoluminescenza che si basa sull’emissione di luce da parte di alcuni cristalli.

I materiali e gli oggetti di interesse archeologico costituiti da

-ceramiche

-terrecotte

-porcellane

infatti, possono essere datati con tale metodo in quanto una parte dei componenti da cui essi sono costituiti e, in particolare quarzi e feldspati, è termoluminescente.

Questi ultimi immagazzinano gli elettroni che hanno subito un’interazione con radiazioni α, β e γ a causa dell’irraggiamento naturale. Riscaldando la sostanza ad una certa temperatura si ottiene una emissione luminosa. La cottura della ceramica elimina ogni termoluminescenza e da quel momento quest’ultima ricomincia ad accrescere nel tempo e viene rilevata tramite fotomoltiplicatori.  Questa quantità dipende dal tempo trascorso dalla cottura e può costituire un metodo di datazione  utile anche se è da tener presente che si tratta di una tecnica distruttiva

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