I confronti tra l'abbondanza osservata di certi isotopi radioattivi naturalmente presenti e i loro prodotti di decadimento, utilizzando velocità di decadimento note, possono essere utilizzati per misurare scale temporali che vanno da prima della nascita della Terra fino al presente. Ad esempio, misurare il rapporto di isotopi stabili e radioattivi nei meteoriti può darci informazioni sulla loro storia e provenienza.

Le tecniche di datazione radiometrica furono introdotte da Bertram Boltwood nel 1907, quando fu il primo a stabilire l'età delle rocce misurando i prodotti di decadimento dell'uranio in piombo.

Oggi, la datazione radiometrica è considerata un metodo di datazione molto affidabile e la principale fonte di informazioni sull'età assoluta delle rocce e di altre caratteristiche geologiche, inclusa l'età della Terra stessa. Le tecniche possono essere estese per datare un'ampia gamma di materiali di origine umana. Poiché gli elementi radioattivi hanno diverse vite medie, esistono numerosi metodi diversi che si applicano a diverse scale temporali. Tra le tecniche più note figurano la datazione al radiocarbonio, la datazione uranio-piombo e la datazione potassio-argon.

Il carbonio è il blocco fondamentale dei composti organici ed è quindi una parte essenziale della vita sulla Terra. Il carbonio naturale contiene due isotopi stabili ¹²C (98,9%) e ¹³C (1,1%), più una minuscola quantità del radioisotopo ¹⁴C (1,2 x 10^-12%) con una vita media di 5730 anni. Il ¹⁴C è prodotto dai raggi cosmici nell'atmosfera e poi distribuito in natura (93% nell'oceano, 5% nella biosfera e 2% nell'atmosfera).

Il carbonio (intendendo tutti e tre gli isotopi) viene assorbito dagli organismi viventi e continuamente reintegrato durante il loro ciclo vitale. Tuttavia, quando un organismo muore, questo processo si ferma. Il ¹⁴C instabile decade in ¹⁴N tramite decadimento beta (emissione di elettrone), e il contenuto di ¹⁴C diminuisce esponenzialmente nel tempo. Misurando quanto ¹⁴C rimane non decaduto in un dato momento, si può calcolare quanto tempo fa è morto l'organismo.

La datazione al radiocarbonio è stata sviluppata negli anni '50, con Willard Libby che ha ricevuto il premio Nobel per la chimica del 1960 per l'uso del ¹⁴C per determinare l'età in archeologia, geologia, geofisica e molti altri rami della scienza.

Uno spettrometro di massa accoppiato a un acceleratore viene utilizzato per datare campioni contenenti solo pochi milligrammi di carbonio misurando il rapporto ¹⁴C/¹²C (Immagine per gentile concessione di J. Forest, CNRS Photothèque).

La datazione al radiocarbonio ha però le sue limitazioni. Il carbonio viene assorbito solo dagli organismi viventi (o meglio da cose che erano vive in qualche momento) come il legno o i fossili, quindi non può essere usato per datare la pietra o la ceramica, ad esempio, e il metodo è preciso solo per oggetti di età fino a circa 60.000 anni.

Per molti anni si è supposto che il contenuto di ¹⁴C nell'atmosfera fosse costante. Sappiamo ora che i campi magnetici della Terra e del Sole cambiano nel tempo. Ciò significa che il flusso di raggi cosmici che colpisce l'atmosfera varia, e quindi varia anche il tasso di produzione di ¹⁴C. Questo rende necessario calibrare le date al ¹⁴C secondo altre tecniche. Una di queste tecniche è la dendrocronologia, o datazione tramite anelli degli alberi.

Variazioni degli anelli: 1 - primo anno di crescita, 2 - stagione delle piogge (anello più spesso), 3 - stagione secca (anello più stretto), e 4 - una cicatrice da incendio boschivo.

La dendrocronologia prevede il prelievo di una sezione orizzontale del tronco principale di un albero e l'analisi degli anelli visibili causati dalla crescita naturale della pianta. Questi anelli risultano dal cambiamento della velocità di crescita attraverso le stagioni dell'anno, con ogni anello che di solito segna il passaggio di un anno nella vita dell'albero. Questa tecnica funziona meglio nei climi temperati dove le stagioni differiscono in modo più marcato, e, ovviamente, si può datare solo poche centinaia di anni fa poiché gli alberi molto vecchi sono rari.

Molte pitture rupestri preistoriche di età fino a 30.000 anni fa sono state studiate con la datazione al radiocarbonio, perché i materiali usati sono per lo più di origine organica.

Pitture rupestri datate con il ¹⁴C. Immagine per gentile concessione di N. Aujoulat (CNP-Ministère de la culture et de la communication).

La datazione al radiocarbonio può essere usata anche per datare ritrovamenti archeologici più insoliti. Nel settembre 1991 due escursionisti scoprirono il corpo di un uomo che sporgeva per metà dal ghiaccio in una regione montuosa delle Alpi. L'uomo dei ghiacci, in seguito soprannominato Ötzi dalla catena montuosa dove fu trovato, potrebbe essere morto più di 4000 anni fa.

Misurazioni dettagliate del ¹⁴C furono eseguite indipendentemente da quattro diversi istituti su ossa e tessuti di Ötzi (a Innsbruck, Bolzano, Zurigo e Oxford), su attrezzatura e materiali apparentemente appartenenti all'uomo dei ghiacci (a Uppsala, Gif/Yvette e Vienna) e su sedimenti raccolti dal sito della scoperta (a Vienna). L'età non calibrata è di 4550 anni. Quando tradotta in età calibrata con l'aiuto delle curve della tecnica degli anelli degli alberi, Ötzi risulta essere circa 650 anni più vecchio. Quindi Ötzi morì tra il 3350 e il 3100 a.C.

L'analisi del cadavere rivelò dettagli sorprendenti sulla sua vita. L'analisi di cereali trovati negli intestini, così come di minerali nei capelli, portò alla conclusione che Ötzi proveniva dal Tirolo del Sud quando fu intrappolato da neve e ghiaccio. Aveva mangiato pappa di farro (un tipo di grano), verdure e carne poco prima della sua morte. Inoltre, analizzando gli isotopi di carbonio e ossigeno nei denti e nelle ossa dell'uomo dei ghiacci, i ricercatori riuscirono a differenziare il paese della sua prima infanzia da quello dove visse in seguito. Sappiamo anche che era un uomo di 45 anni con capelli scuri, ondulati, lunghi fino alle spalle e occhi azzurri. Tuttavia, analisi genomiche più recenti suggeriscono che Ötzi era originario della Sardegna!

La tecnica degli anelli degli alberi è utile per calibrare il metodo del ¹⁴C fino a circa 11.000 anni. Per età comprese tra 10.000 e 30.000 anni, la tecnica di calibrazione utilizzata è la datazione Uranio-Torio dei sedimenti lacustri e dei coralli.

Durante la loro vita, i coralli assorbono l'uranio (con una vita media di 245,5 anni) presente nell'acqua di mare ma non assorbono il torio (²³⁰Th). Dopo la morte dei coralli, l'uranio decade in ²³⁰Th, che si accumula nel loro scheletro. Misurare il rapporto U/Th può dare un'indicazione dell'età del corallo.

Tuttavia, anche il torio è radioattivo e decade (vita media 75.380 anni) in altri elementi tramite una lunga catena di decadimento, terminando infine con il piombo, il che rende il processo di datazione un po' più complicato. Il metodo U-Th può essere usato per datare oggetti con età comprese tra 10.000 e 500.000 anni.

Tuttavia, il metodo ha alcune limitazioni. Studi recenti hanno dimostrato che il piombo può essere prodotto tramite cattura di neutroni e potrebbe non provenire dal decadimento dell'uranio. Ciò cambierebbe i risultati della datazione.

Corallo usato come riferimento per il metodo di datazione U-Th. Immagine per gentile concessione di J. Lecomte (CNRS Photothèque).

La termoluminescenza fu scoperta da Sir Boyle nel 1663. Molti materiali cristallini come alcuni minerali hanno questa proprietà di emettere luce quando vengono riscaldati. Trecento anni dopo questa scoperta, gli scienziati hanno imparato a spiegare questo effetto. Quando il materiale viene esposto a radiazione ad alta energia, gli elettroni nel materiale si spostano in uno stato eccitato. In alcuni minerali, questa energia viene poi intrappolata all'interno a causa di difetti nel reticolo cristallino. Ma quando il cristallo viene riscaldato, gli elettroni possono cadere nei gusci a energia inferiore, emettendo un fotone a ogni tale transizione.

Pierre e Marie Curie notarono che alcuni contenitori di vetro nel loro laboratorio acquisivano un colore intenso quando colpiti dalla radiazione, e che questi colori scompaiono con un'emissione simultanea di luce quando il materiale viene riscaldato.

È stato dimostrato che l'intensità della luce emessa è direttamente proporzionale alla radiazione ricevuta dal minerale. Pertanto, la termoluminescenza può essere usata per datare oggetti che sono stati esposti a raggi cosmici o alla radiazione del suolo, poiché le dosi dipendono dall'età dell'oggetto.

Questa tecnica ha molte applicazioni - come la datazione di selce riscaldata, vasellame e ceramica di periodi preistorici. I più antichi manufatti databili con la termoluminescenza hanno circa 250.000 anni.

Sopra: la radiazione del radio dà una tinta blu a un recipiente di vetro del laboratorio di Pierre e Marie Curie. Immagine per gentile concessione di C. Delhaye (CNRS Photothèque).

Sinistra: vasellame datato con la termoluminescenza a 7.000-10.000 anni. Immagine per gentile concessione di A. Chênè (CNRS Photothèque). Sotto: Scheletri di una donna e di un bambino datati con la termoluminescenza a 92.000 anni. Immagine per gentile concessione di CEA – CNRS – CFR.

Quando il ⁴⁰K decade in ⁴⁰Ar all'interno della roccia, il ⁴⁰Ar gassoso rimane all'interno della roccia e non può fuggire a meno che il minerale non venga riscaldato. La quantità di Ar in un pezzo di roccia rivela quindi il tempo trascorso dall'ultimo raffreddamento.

Il metodo K-Ar è ben adatto allo studio dell'attività vulcanica, e dato che il ⁴⁰K ha una vita media di 1,3 miliardi di anni, il metodo è usato in geocronologia per datare periodi che vanno da 10⁶ a 10⁹ anni fa. Il ⁴⁰K radioattivo è comune nelle miche, nei feldspati e nelle anfibole, che hanno temperature di chiusura abbastanza basse (da 125°C per la mica a 450°C per l'anfibolo).

Il metodo K-Ar è stato usato per determinare la successione dei periodi geologici sulla Terra, per stabilire l'età della Terra a circa 4,5 miliardi di anni e per individuare gli inizi dell'umanità (nell'Africa orientale) a circa 5 milioni di anni fa. Il metodo è impiegato anche per misurare il tasso di inversione dei poli magnetici della Terra.

Il ⁸⁷Rb decade in ⁸⁷Sr con una vita media di circa 48 miliardi di anni. Gli altri isotopi dello Sr (A = 84, 86, 88) sono stabili, quindi lo stronzio è un utile tracciante per l'età e il contenuto di rubidio nelle rocce, ed è stato usato anche per datare campioni lunari. Il rapporto ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr varia da 0,703 nelle rocce giovani a 0,750 nelle più antiche. Con il metodo ⁸⁷Rb - ⁸⁷Sr è possibile datare materiali di età compresa tra 10 milioni e 10 miliardi di anni.

Una storia interessante è come la datazione Rb-Sr ha aiutato a determinare l'origine del re Yax K'uk Mo, che fondò la dinastia che governò la città Maya di Copán (attualmente in Honduras) per 400 anni.

Nell'VIII secolo, un modesto villaggio in Mesoamerica di nome Copán (situato nell'attuale Honduras) divenne una delle più importanti città Maya. Questa ascesa di importanza è fortemente attribuita a Yax K'uk Mo, che arrivò a Copán nell'anno 427.

A quel tempo, Teotihuacan era al suo apice, la più grande città della Mesoamerica precolombiana della valle del Messico. Città a centinaia di miglia di distanza copiavano lo stile dei suoi templi e adottavano gli stessi dei. Gli artigiani di Copán ritraevano Yax K'uk Mo con attributi Teotihuacan, indicando apparentemente le origini e l'associazione del re con Teotihuacan. Le origini di Yax K' uk Mo rimasero vaghe fino a quando furono eseguite misurazioni dei rapporti isotopici ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr e ¹⁸O / ¹⁶O nei denti e nelle ossa dei suoi resti a Copán.

La penisola dello Yucatan dove il re Yax K'uk Mo visse e morì è composta principalmente da sedimenti marini. Mostra una variazione graduale del rapporto ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr (tra 0,7049 e 0,7089). La valle del Messico è composta da rocce vulcaniche, e lì la variazione è maggiore, mentre a Teotihuacan il valore è inferiore (0,7046). Lo smalto dentale fornisce un rivestimento durevole per la dentina sottostante. Entrambi contengono calcio ma si sono formati in modo molto diverso. Lo smalto si mineralizza quando il dente cresce nell'infanzia, la dentina come le ossa si forma continuamente durante la vita. Lo stronzio è chimicamente vicino al calcio e può sostituirlo nello smalto e nella dentina dei denti e nelle ossa. Lo stronzio viene assorbito dal cibo, e il rapporto ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr rifletterà la natura del suolo locale. Così lo smalto dentale di una persona porta la firma isotopica del cibo e dell'acqua del paese della sua prima infanzia, mentre i rapporti isotopici nella dentina e nelle ossa riflettono i successivi luoghi di residenza. A 0,7084, il rapporto ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr nello smalto prelevato da un dente di Yax K'uk Mo corrispondeva al valore a Tikal, a nord di Copán.

Destra: figurina ceramica del re Yax K'uk Mo raffigurato con attributi Teotihuacan (Copyright American Institute of Physics 2004).

Sinistra: misurazioni del rapporto ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr per varie città precolombiane in Messico e nella penisola dello Yucatan (Copyright American Institute of Physics 2004).

Il rapporto isotopico ¹⁸O / ¹⁶O può fornire un altro indicatore di posizione. L'ossigeno entra nel corpo attraverso l'approvvigionamento idrico, e la pioggia dalle nuvole vicino all'oceano è più ricca di ¹⁸O rispetto alla pioggia dalle nuvole che si sono spostate lontano nell'entroterra.

L'analisi isotopica dei rapporti di stronzio e ossigeno nello smalto dentale e nelle ossa del re Yax K'uk Mo non ha supportato un'origine a Teotihuacan. Invece, è stato concluso che trascorse i suoi anni giovanili vicino a Tikal e si trasferì in seguito a Copán.