Сравненията между наблюдаваното изобилие на определени природно срещащи се радиоактивни изотопи и техните продукти на разпад, използвайки известни скорости на разпад, могат да се използват за измерване на времеви скали от преди раждането на Земята до настоящето. Например измерването на съотношението на стабилни и радиоактивни изотопи в метеоритите може да ни даде информация за тяхната история и произход.

Техниките за радиометрично датиране са въведени от Бертрам Болтвуд през 1907 г., когато за пръв път определя възрастта на скалите чрез измерване на продуктите на разпад на урана в олово.

Днес радиометричното датиране се счита за много надежден метод за датиране и основен източник на информация за абсолютната възраст на скалите и другите геоложки образувания, включително възрастта на самата Земя. Техниките могат да бъдат разширени и за датиране на широк спектър от изкуствено създадени материали. Тъй като радиоактивните елементи имат различни периоди на полуразпад, съществуват множество различни методи, приложими към различни времеви скали. Сред най-известните техники са радиовъглеродното датиране, уран-оловното датиране и калий-аргоновото датиране.

Въглеродът е основен градивен елемент на органичните съединения и следователно е съществена част от живота на Земята. Природният въглерод съдържа два стабилни изотопа ¹²C (98,9%) и ¹³C (1,1%), плюс малко количество от радиоизотопа ¹⁴C (1,2 x 10^-12%) с период на полуразпад от 5730 години. ¹⁴C се произвежда от космически лъчи в атмосферата и след това се разпределя в природата (93% в океана, 5% в биосферата и 2% в атмосферата).

Въглеродът (имайки предвид и трите изотопа) се поглъща от живите организми и непрекъснато се попълва по време на техния жизнен цикъл. Когато обаче организмът умре, този процес спира. Нестабилният ¹⁴C се разпада до ¹⁴N чрез бета разпад (излъчване на електрон), а съдържанието на ¹⁴C намалява експоненциално с времето. Измервайки колко ¹⁴C е останало неразпаднало в даден момент от времето, може да се изчисли кога е умрял организмът.

Радиовъглеродното датиране е разработено през 50-те години на XX век, като Уилард Либи получава Нобелова награда по химия за 1960 г. за използването на ¹⁴C за определяне на възраст в археологията, геологията, геофизиката и много други клонове на науката.

Масспектрометър, свързан с ускорител, се използва за датиране на проби, съдържащи само няколко милиграма въглерод, чрез измерване на съотношението ¹⁴C/¹²C (Изображение предоставено от J. Forest, CNRS Photothèque).

Радиовъглеродното датиране обаче има своите ограничения. Въглеродът се поглъща само от живи организми (или по-точно от неща, които са били живи в даден момент) като дърво или вкаменелости, така че не може да се използва за датиране на камък или керамика например, а методът е точен само за обекти на възраст до около 60 000 години.

В продължение на много години се смяташе, че съдържанието на ¹⁴C в атмосферата е постоянно. Сега знаем, че магнитните полета на Земята и Слънцето се променят с времето. Това означава, че потокът от космически лъчи, достигащи атмосферата, се променя, и следователно се променя и скоростта на производство на ¹⁴C. Това налага калибриране на датите по ¹⁴C съгласно други техники. Една такава техника е дендрохронологията, или датирането по дървесни пръстени.

Вариации на дървесните пръстени: 1 - първа година на растеж, 2 - дъждовен сезон (по-широк пръстен), 3 - сух сезон (по-тесен пръстен), и 4 - белег от горски пожар.

Дендрохронологията включва получаване на хоризонтален напречен разрез от главния ствол на дърво и анализ на видимите пръстени, причинени от естествения растеж на растението. Тези пръстени са резултат от промяната в скоростта на растеж през сезоните на годината, като всеки пръстен обикновено отбелязва преминаването на една година от живота на дървото. Тази техника работи най-добре в умерен климат, където сезоните се различават по-ясно, и, очевидно, може да датира само назад в историята с няколко стотин години, тъй като много старите дървета са редки.

Много праисторически пещерни рисунки на възраст до 30 000 години са изследвани с радиовъглеродно датиране, тъй като използваните материали са предимно от органичен произход.

Пещерни рисунки, датирани с ¹⁴C. Изображение предоставено от N. Aujoulat (CNP-Ministère de la culture et de la communication).

Радиовъглеродното датиране може дори да се използва за датиране на по-необичайни археологически находки. През септември 1991 г. двама планинари открили тялото на мъж, стърчащо наполовина от леда в планинска местност в Алпите. Ледения човек, по-късно наречен Йоци по планинската верига, където е намерен, може да е починал преди повече от 4000 години.

Подробни измервания на ¹⁴C са направени независимо от четири различни института върху кости и тъкани от Йоци (в Инсбрук, Болзано, Цюрих и Оксфорд), върху оборудване и материали, очевидно принадлежащи на ледения човек (в Упсала, Гиф/Иvet и Виена) и върху седименти, събрани от местото на откритието (в Иена). Некалибрираната възраст е 4550 години. Когато е преведена в калибрирана възраст с помощта на кривите на дендрохронологията, Йоци изглежда около 650 години по-стар. Така Йоци е починал между 3350 и 3100 г. пр. Хр.

Анализът на трупа разкри удивителни подробности за живота му. Анализът на зърна, намерени в червата, както и на минерали в косата, доведе до заключението, че Йоци идва от Южен Тирол, когато е бил хванат от сняг и лед. Той е ял каша от еднозърнест пшеница (вид пшеница), зеленчуци и месо малко преди смъртта си. Освен това, чрез анализ на изотопите на въглерода и кислорода в зъбите и костите на ледения човек, изследователите успяват да разграничат страната на ранното му детство от тази, където е живял по-късно. Знаем също, че е бил 45-годишен мъж с тъмна, вълнообразна коса с дължина до раменете и сини очи. Въпреки това по-нови геномни анализи предполагат, че Йоци първоначално е от Сардиния!

Техниката с дървесни пръстени е полезна за калибриране на метода ¹⁴C до около 11 000 години. За възрасти между 10 000 и 30 000 години използваната техника за калибриране е уран-ториевото датиране на езерни седименти и корали.

По време на живота си коралите поглъщат урана (с период на полуразпад от 245,5 години), намиращ се в морската вода, но не поглъщат торий (²³⁰Th). След смъртта на коралите, уранът се разпада до ²³⁰Th, който се натрупва в техния скелет. Измерването на съотношението U/Th може да даде представа за възрастта на корала.

Тории е обаче радиоактивен и се разпада (период на полуразпад 75 380 години) до други елементи чрез дълга верига на разпад, завършвайки накрая с олово, което прави процеса на датиране малко по-сложен. Методът U-Th може да се използва за датиране на обекти с възраст между 10 000 и 500 000 години.

Методът обаче има някои ограничения. Скорошни проучвания показват, че оловото може да се произвежда чрез захващане на неутрони и може да не е произлязло от разпада на урана. Това би променило резултатите от датирането.

Корали, използвани като еталон за метода U-Th за датиране. Изображение предоставено от J. Lecomte (CNRS Photothèque).

Термолуминесценцията е открита от сър Бойл през 1663 г. Много кристални материали, като някои минерали, имат свойството да излъчват светлина при нагряване. Триста години след това откритие учените са научили как да обяснят този ефект. Когато материалът е изложен на високоенергетично излъчване, електроните в материала преминават в възбудено състояние. В някои минерали тази енергия след това се задържа вътре поради дефекти в кристалната решетка. Но когато кристалът се нагрее, електроните могат да паднат на по-ниски енергетични нива, излъчвайки фотон при всеки такъв преход.

Пиер и Мари Кюри забелязали, че някои стъклени съдове в лабораторията им придобиват интензивен цвят при облъчване с радиация и че тези цветове изчезват едновременно с излъчване на светлина при нагряване на материала.

Доказано е, че интензитетът на излъчената светлина е пряко пропорционален на радиацията, която е получил минералът. Следователно термолуминесценцията може да се използва за датиране на обекти, изложени на космически лъчи или на радиация от почвата, тъй като дозите зависят от възрастта на обекта.

Тази техника има много приложения - като датиране на нагрят кремък, грънчарски изделия и керамика от праисторически периоди. Най-старите артефакти, които могат да бъдат датирани чрез термолуминесценция, са на около 250 000 години.

Горе: радиацията от радий придава синкав оттенък на стъклен съд от лабораторията на Пиер и Мари Кюри. Изображение предоставено от C. Delhaye (CNRS Photothèque).

Вляво: керамика, датирана чрез термолуминесценция на 7 000 до 10 000 години. Изображение предоставено от A. Chênè (CNRS Photothèque). Долу: Скелети на жена и дете, датирани чрез термолуминесценция на 92 000 години. Изображение предоставено от CEA – CNRS – CFR.

Когато ⁴⁰K се разпада до ⁴⁰Ar вътре в скала, газообразният ⁴⁰Ar остава вътре в скалата и не може да избяга освен ако минералът не се нагрее. Количеството Ar в парче скала разкрива времето от последното му охлаждане.

Методът K-Ar е добре подходящ за изучаване на вулканична дейност и предвид факта, че ⁴⁰K има период на полуразпад от 1,3 милиарда години, методът се използва в геохронологията за датиране на периоди от 10⁶ до 10⁹ години назад. Радиоактивен ⁴⁰K е разпространен в слюда, фелдшпат и роговообманка, които имат доста ниски температури на затваряне (от 125°C за слюда до 450°C за роговообманка).

Методът K-Ar е използван за определяне на последователността на геоложките периоди на Земята, за фиксиране на възрастта на Земята на около 4,5 милиарда години и за определяне на началото на човечеството (в Източна Африка) на около 5 милиона години назад. Методът се използва и за измерване на скоростта на обръщане на магнитните полюси на Земята.

⁸⁷Rb се разпада до ⁸⁷Sr с период на полуразпад от около 48 милиарда години. Другите изотопи на Sr (A = 84, 86, 88) са стабилни, така че стронцият е полезен трасер за възрастта и съдържанието на рубидий в скалите и е използван и за датиране на лунни проби. Съотношението ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr варира от 0,703 при млади скали до 0,750 при най-старите. С метода ⁸⁷Rb - ⁸⁷Sr е възможно да се датират материали на възраст между 10 милиона и 10 милиарда години.

Интересна история е как датирането Rb-Sr е помогнало да се определи произходът на крал Якс К'ук Мо, основал династия, управлявала маянския град Копан (намиращ се в днешен Хондурас) в продължение на 400 години.

В 8-ми век скромно селище в Мезоамерика с името Копан (намиращо се в днешен Хондурас) се превърна в един от най-важните маянски градове. Това нарастване на значимостта се приписва главно на Якс К'ук Мо, пристигнал в Копан през 427 г.

По това време Теотиуакан е бил на върха си - най-големият град в доколумбова Мезоамерика в долината на Мексико. Градове на стотици мили разстояние копирали стила на неговите храмове и приемали същите богове. Занаятчиите от Копан изобразявали Якс К'ук Мо с атрибути на Теотиуакан, очевидно указвайки произхода и връзката на краля с Теотиуакан. Произходът на Якс К'ук Мо остава неясен до момента, когато са направени измервания на изотопните съотношения ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr и ¹⁸O / ¹⁶O в зъбите и костите на останките му в Копан.

Полуостровът Юкатан, където крал Якс К'ук Мо е живял и починал, е изграден предимно от морски седименти. Той показва плавна вариация на съотношението ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr (между 0,7049 и 0,7089). Долината на Мексико е изградена от вулканични скали и там вариацията е по-голяма, докато в Теотиуакан стойността е по-ниска (0,7046). Зъбният емайл осигурява трайно покритие за дентина отдолу. И двете съдържат калций, но се образуват по много различен начин. Емайлът се минерализира, когато зъбът расте в детството, а дентинът, подобно на костите, се образува непрекъснато по време на живота. Стронцият е химически близък до калция и може да го замести в емайла и дентина на зъбите и в костите. Стронцият се усвоява от храната и съотношението ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr ще отразява естеството на местната почва. Така зъбният емайл на човека носи изотопния подпис на храната и водата от страната на ранното му детство, а изотопните съотношения в дентина и костите отразяват по-нататъшното му местонахождение. При 0,7084 съотношението ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr в емайла от зъб на Якс К'ук Мо съответстваше на стойността в Тикал, северно от Копан.

Вдясно: керамична фигурка на крал Якс К'ук Мо, изобразен с атрибути на Теотиуакан (Авторско право American Institute of Physics 2004).

Вляво: измервания на съотношението ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr за различни доколумбови градове в Мексико и на полуостров Юкатан (Авторско право American Institute of Physics 2004).

Изотопното съотношение ¹⁸O / ¹⁶O може да предостави друг географски индикатор. Кислородът постъпва в тялото чрез водоснабдяването и дъждът от облаци близо до океана е по-богат на ¹⁸O отколкото дъждът от облаци, пътували далеч навътре в сушата.

Изотопният анализ на съотношенията на стронций и кислород в зъбния емайл и костите на крал Якс К'ук Мо не потвърди произход от Теотиуакан. Вместо това беше заключено, че той е прекарал ранните си години близо до Тикал и по-късно се е преселил в Копан.