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pubblicato il 4 aprile 2013 in la vita

Metodo di datazione con il 14C

Datazione al radiocarbonio
Nel 1991, al confine tra Austria e Italia, furono portati alla luce i resti del corpo dell’uomo di Similaun, anche noto con il nome di Oetzi. I resti, incredibilmente conservati, risalgono a circa 5300 anni fa.

I resti dell'uomo del Similaun nel sito dove è stato rinvenuto nel 1991. Fonte: wikipedia

I resti dell’uomo del Similaun nel sito dove è stato rinvenuto nel 1991. Fonte: wikipedia

Come è stato possibile stabilire con precisione a che periodo risale il corpo di Oetzi?
La datazione di un qualunque reperto che abbia contenuto materiale organico, ad esempio un pezzo di legno o un resto animale, può essere ottenuta grazie all’analisi della percentuale di 14C che i resti ancora contengono. La metodologia di datazione al radiocarbonio o 14C fu messa a punto tra il 1947 e il 1949 dal chimico dell’Università di Chicago Willard Libby, che per questo ottenne il premio Nobel nel 1960. È una tecnica di datazione assoluta, che ha inoltre permesso di verificare datazioni ottenute con misurazioni relative come per esempio la stratigrafia, metodologia che si basa sull’individuazione di strati omogenei del terreno per ottenere informazioni sulla natura e sulla data del sito archeologico. La tecnica del radiocarbonio permette invece di datare in maniera assoluta qualsiasi materiale di origine organica e anche materiali di natura inorganica generati però da organismi viventi. In entrambi i casi, il metodo funziona purché non siano passati più di 60 mila anni. Per campioni con età superiore è praticamente impossibile trovare atomi di carbonio radioattivo non ancora decaduti.

Isotopi
Un elemento della tavola periodica si distingue da un altro per il numero di protoni contenuti nel suo nucleo. Per esempio, tutti gli atomi di idrogeno hanno un protone nel nucleo, mentre quelli di carbonio ne hanno sei. Il numero di protoni nel nucleo è detto numero atomico, mentre la somma delle particelle del nucleo (protoni e neutroni) determina il numero di massa. Ciò che può cambiare tra due atomi dello stesso elemento è la quantità di neutroni presenti nel nucleo e quindi il numero di massa. Gli atomi di uno stesso elemento con numero di massa differente vengono denominati isotopi, poiché occupano la stessa posizione nella tavola periodica. Tra gli isotopi di un elemento ne esiste sempre uno più abbondante, mentre gli altri sono presenti in piccole quantità. Per esempio, in natura esistono tre isotopi del carbonio: il 99% è rappresentato dal 12C, il resto da 13C e 14C.

Radioattività
Alcuni isotopi come il 14C non sono stabili, ma si trasformano in nuclei sempre più leggeri (decadono) emettendo particelle o radiazione. Per questo motivo tali isotopi sono definiti isotopi radioattivi. Nel 1900 il fisico e chimico Rutherford, Nobel per la Chimica nel 1908, scoprì che il numero di particelle emesse da una sostanza radioattiva non è costante nel tempo, bensì il decadimento radioattivo è un processo statistico che segue una legge esponenziale (la stessa per tutti i decadimenti radioattivi).
Esistono tre tipi di decadimento radioattivo, chiamati decadimento alpha (α), beta (β) e gamma (γ) a seconda della capacità di penetrazione attraverso la materia. Le particelle α (nuclei di 42He) sono le meno penetranti, le particelle β (elettroni o positroni) sono intermedie e i raggi γ, ossia fotoni, sono i più penetranti.
Nel decadimento del 14C un neutrone si trasforma in un protone e un elettrone, quest’ultimo viene espulso dal nucleo sotto forma di radiazione beta. Il 14C si trasforma così in 14N, che è stabile e quindi non radioattivo. Per tutti i decadimenti radioattivi si può definire un tempo di dimezzamento, ossia il tempo necessario affinché decada la metà dei nuclei radioattivi: per il 14C il tempo di dimezzamento è di 5730 anni.

Rappresentazione del tempo di dimezzamento nel decadimento del 14C. Fonte: http://www.icri-go.it

Rappresentazione del tempo di dimezzamento nel decadimento del 14C. Fonte: http://www.icri-go.it

Ciclo del 14C
Tutti gli organismi viventi contengono carbonio, infatti, durante la vita essi scambiano carbonio con l’ambiente. Per esempio, le piante immagazzinano anidride carbonica (CO2) dall’atmosfera grazie alla fotosintesi clorofilliana.
Nello scambio di CO2 tutti gli organismi assorbono gli isotopi del carbonio, nello stesso rapporto in cui essi sono presenti in atmosfera, cioè 14C /12C=1,2 x 10-12. Con la morte dell’essere vivente si interrompe l’assorbimento del carbonio e di conseguenza, a causa del decadimento del 14C, si riduce progressivamente il rapporto  14C /12C.
Tenendo conto del tempo di dimezzamento del 14C si può quindi determinare “quando” si è interrotto lo scambio di carbonio con l’ambiente esterno. Con questo metodo occorre supporre che l’attività del 14C presente nell’atmosfera sia sempre stata costante e uguale al valore risalente al 1950.
In realtà non è proprio così, basti pensare alle grandi quantità di 12C immesse in atmosfera a partire dalla Rivoluzione industriale, generate dalla combustione del carbone fossile, che “diluiscono” il 14C presente. Anche gli esperimenti nucleari in atmosfera hanno portato alla produzione di nuovo 14C. Per questi motivi si utilizza il metodo del 14C calibrato, che tiene conto anche di variazioni dell’attività del 14C  nel corso del tempo.

La datazione della Sindone
La datazione del sacro lenzuolo, che secondo alcuni sarebbe stato avvolto intorno al corpo di Gesù crocifisso, fu eseguita nel 1988, con la tecnica del 14C, da tre laboratori indipendenti. I risultati hanno stabilito con estrema precisione che il telo risale a una data compresa tra il 1260 e il 1390, molto lontano dall’evento della crocifissione.

Metodo di datazione per reperti più antichi: Potassio 40
È possibile datare reperti più vecchi di 60 mila anni? La datazione Potassio-Argon sfrutta la trasformazione da 40K a 40Ar attraverso la cattura di un elettrone. Se una roccia contiene 40K con il passare del tempo questo si  trasforma in 40Ar che si accumula nel materiale. Dalla misura delle quantità di 40K e 40Ar contenute nel campione, si può stimare l’età del reperto.
Tale metodo permette di datare reperti di età compressa tra 2.000 a 4,5 miliardi di anni, poiché il tempo di dimezzamento del 40K è di 1,3 miliardi di anni. Uno dei reperti più famosi datati con questo metodo è stato certamente quello di un esemplare di Australopithecus afarensis risalente a 3,4 milioni di anni. L’esemplare, nome in codice A.L. 288, venne ribattezzato Lucy, in onore della canzone Lucy in the Sky with Diamonds dei Beatles.

Ricostruzione dello scheletro di Lucy. I resti comprendono circa il 40% dello scheletro.  Crediti: http://www.mitchellteachers.net

Ricostruzione dello scheletro di Lucy. I resti comprendono circa il 40% dello scheletro. Crediti: http://www.mitchellteachers.net

A cura di Simona Romaniello
Astrofisica e divulgatrice scientifica, per il Planetario di Torino si occupa di formazione e di sviluppo e allestimenti museali.

Con il patrocinio del Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca
 
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