A partir de la comparación de la abundancia observada de ciertos isótopos radiactivos de origen natural y sus productos de desintegración, empleando los coeficientes de desintegración conocidos, es posible medir escalas de tiempo que van desde antes del nacimiento de la Tierra hasta el presente. Por ejemplo, la medición de la proporción de isótopos estables y radiactivos en los meteoritos nos puede dar información sobre su historia y procedencia.

Las técnicas de datación radiométrica fueron iniciadas por Bertram Boltwood en 1907, cuando estableció por primera vez la edad de las rocas mediante la medición de los productos de desintegración del uranio al plomo.

Hoy en día, la datación radiométrica se considera un método de datación muy fiable, y la principal fuente de información sobre la edad absoluta de las rocas y otras características geológicas, incluyendo la misma edad de la Tierra. Las técnicas se pueden extender para datar también una amplia gama de materiales hechos por el hombre. Debido a que los elementos radiactivos tienen vidas medias diferentes, existen numerosos métodos que se aplican a distintas escalas de tiempo. Entre las técnicas más conocidas están la datación por radiocarbono, datación por uranio-plomo y datación por potasio-argón.

El carbono es el elemento básico de los compuestos orgánicos y, por tanto, es una parte esencial de la vida en la tierra. El carbono natural contiene dos isótopos estables ¹²C (98,9%) y ¹³C (1,1%), además de una pequeña cantidad del radioisótopo ¹⁴C (1,2 x 10^-12 %), con una vida media de 5.730 años. El ¹⁴C se produce al entrar los rayos cósmicos en contacto con la atmósfera y posteriormente se distribuye en la naturaleza (93% en el océano, 5% en la biosfera y 2% en la atmósfera).

El carbono (es decir, los tres isótopos) es absorbido por los organismos vivos, y se repone continuamente durante su ciclo de vida. Sin embargo, cuando un organismo muere, este proceso se detiene. El ¹⁴C es inestable y se desintegra en ¹⁴N a través de la desintegración beta (emisión de electrones), y el contenido de ¹⁴C disminuye exponencialmente con el tiempo. Al medir la cantidad de ¹⁴C en un momento dado, se puede averiguar cuánto tiempo hace que murió el organismo.

La datación por radiocarbono se desarrolló en la década de 1950. Willard Libby recibió el Premio Nobel de Química en 1960 por el uso de ¹⁴C como método de datación en arqueología, geología, geofísica y otras muchas ramas de la ciencia.

Se emplea un espectrómetro de masas acoplado a un acelerador para fechar muestras que contienen sólo unos pocos miligramos de carbono mediante la medición de la relación ¹⁴C/¹²C (Imagen cortesía de J. Forest, Fototeca del CNRS).

Sin embargo, la datación por radiocarbono tiene sus limitaciones. El carbono sólo es absorbido por los organismos vivos (o que estaban vivos en algún momento o lugar), tales como la madera o fósiles vivientes por lo que no se puede utilizar para datar piedra o cerámica, por ejemplo, y el método es preciso sólo para los objetos de hasta aproximadamente 60.000 años de antigüedad.

Durante muchos años se supuso que el contenido de ¹⁴C en la atmósfera era constante. Ahora sabemos que la Tierra y los campos magnéticos solares cambian con el tiempo. Esto significa que el flujo de rayos cósmicos que incide sobre la atmósfera varía, y por lo tanto también lo hace la tasa de producción de ¹⁴C. Eso hace que sea necesario calibrar las fechas de ¹⁴C de acuerdo con otras técnicas. Una de estas técnicas es la dendrocronología, o datación por los anillos de los árboles.

Tres cambios en los anillos: 1 - primer año de crecimiento, 2 - temporada de lluvias (anillo más grueso), 3 - estación seca (anillo más estrecho), y 4 - cicatriz de un incendio forestal.

La dendrocronología necesita obtener una sección transversal y horizontal del tronco principal de un árbol y analizar los anillos visibles causados por el crecimiento de la planta natural. Estos anillos son el resultado de la variación de la velocidad de crecimiento a través de las estaciones del año. Cada anillo, por lo general, marca el paso de un año en la vida del árbol. Esta técnica funciona mejor en climas templados donde las estaciones difieren más, y, obviamente, uno sólo puede remontarse a unos cientos de años, ya que árboles más viejos son escasos.

Muchas de las pinturas rupestres prehistóricas, que tienen mas de 30 000 años, han sido investigadas utilizando la datación del ¹⁴C, ya que los materiales utilizados son casi todos de origen orgánico.

Pinturas rupestres estudiadas con el ¹⁴C. Cortesía de N. Aujoulat (CNP- Ministerio de Cultura y Comunicación francés).

La datación utilizando el ¹⁴C puede ser utilizada para estudios arqueológicos menos comunes. En septiembre del 1991 dos excursionistas encontraron el cuerpo de un hombre sobresaliendo aproximadamente medio cuerpo del hielo en una región montañosa de los Alpes. El “hombre de hielo”, apodado Ötzi, por el sitio donde fue encontrado, pudo morir aproximadamente hace unos 4000 años.

Estudios detallados utilizando el ¹⁴C fueron realizados por cuatro institutos (Innsbruck, Bolzano, Zurich y Oxford), de manera independiente en muestras de huesos y tejido de Ötzi, en el equipo y en materiales aparentemente pertenecientes al “hombre de hielo” (Uppsala, Gif/Yvette y Vienna). También se estudiaron sedimentos recogidos en el lugar del descubrimiento (Vienna). La edad no calibrada determinada fue de 4550 años. Cuando este valor se calibró con la ayuda de la técnica de los anillos de los árboles Ötzi envejeció 650 años, o sea que murió entre 3350 y 3100 AC.

Estudios del cuerpo revelaron detalles asombrosos de su vida. El análisis de los cereales encontrados en sus intestinos así como de los minerales encontrados en su cabello llevaron a los investigadores a la conclusión que Ötzi provenía del Tirol del Sur, cuando quedó atrapado en el hielo y la nieve. Había comido un tipo de trigo cocido, vegetales y carne antes de morir. Además, tras estudiar los isótopos de carbono y oxígeno de sus dientes y huesos, los investigadores pudieron deducir donde se crió en su niñez y diferenciarlo del sitio donde desarrolló su vida adulta. También sabemos que tenía 45 años, pelo largo oscuro y ondulado hasta los hombros, y que tenía los ojos azules. ¡ Un estudio más reciente de su genoma, sugiere que Ötzi era originario de Cerdeña!.

La técnica de los anillos de los arboles para calibrar el ¹⁴C puede utilizarse hasta aproximadamente los 11 000 años. Para dataciones de entre 10 000 y 30 000 años, la técnica de calibración se basa en la técnica uranio-torio de sedimentos de lagos y de coral.

Durante su vida, los corales absorben uranio (con una vida media de 245.5 años), que está presente en el agua de mar, pero no absorben torio (²³⁰Th). Cuando el coral muere, el uranio se desintegra en ^230Th, que se acumula en su esqueleto. Si se mide la proporción U/Th, esto puede ser indicativo de la edad del coral.

Sin embargo, el torio también es radioactivo y se desintegra (vida media 75 380 años) en otros elementos a través de una larga cadena radioactiva, que termina en el plomo, lo cual hace el proceso de datación complejo. El método U-Th puede ser utilizado para datar objetos con edades entre 10 000 y 500 000 años.

Sin embargo, el método tiene sus limitaciones. Estudios recientes han demostrado que el plomo se puede producir también debido a capturas neutrónicas y no solo de la desintegración del uranio. Esto puede cambiar los resultados de las dataciones.

Coral utilizado como referencia para el método U-Th. Imagen cortesía de J. Lecomte (Fototeca del CNRS).

La termoluminiscencia fue descubierta por Sir Boyle en 1663. Muchos materiales cristalinos como algunos minerales tienen la propiedad de emitir luz cuando se calientan. Trescientos años después de su descubrimiento, los científicos han sido capaces de explicar este efecto. Cuando los materiales se exponen a radiación de alta energía, los electrones del material pasan a ocupar estados excitados. En algunos minerales esta energía se queda atrapada en el material debido a defectos de la estructura cristalina. Cuando el cristal se calienta, los electrones pueden saltar a estados de menor energía, emitiendo un fotón de luz en cada transición.

Pierre y Marie Curie notaron que algunos de los contenedores de cristal que utilizaban en el laboratorio tomaban coloraciones intensas al ser alcanzados por la radiación, y estos colores desaparecían emitiendo luz cuando el material se calentaba.

Se ha demostrado que la intensidad de la luz emitida es proporcional a la radiación recibida por el mineral. Por esto, la termoluminiscencia puede utilizarse para datar objetos que han estado expuestos a rayos cósmicos o a la radiación proveniente del suelo, ya que las dosis dependen de la edad del objeto.

Esta técnica tiene múltiples aplicaciones, como por ejemplo datar pedernal, cerámicas, alfarería de períodos prehistóricos. Los objetos más antiguos que se pueden datar con esta técnica tienen del orden de 250 000 años.

Parte superior: El radón le da un tinte azulado a un recipiente de vidrio del laboratorio de Pierre y Marie Curie. Imagen cortesía de C. Delhaye (Fototeca del CNRS).

Izquierda: cerámica datada con el método termoluminiscente entre 7 000 a 10 000 años. Imagen cortesía de A. Chênè (Fototeca del CNRS). Parte inferior: Esqueleto de una mujer con su niño datado con el método termoluminiscente a 92 000 años. Imagen cortesía de CEA-CNRS-CFR.

Cuando el ⁴⁰K se desintegra a ⁴⁰Ar en las rocas, el ⁴⁰Ar permanece atrapado y no puede escapar hasta que el mineral se calienta. Por esta razón la cantidad de Ar que encontramos en una roca es proporcional al tiempo que ha transcurrido desde que esta se enfrío por última vez.

El método K-Ar es adecuado para estudiar la actividad volcánica, y dado que el ⁴⁰K tiene una vida media de 1,3 mil millones de años, el método se utiliza en geocronología para datar períodos de 10⁶ a 10⁹ años atrás. El ⁴⁰K radiactivo es común en micas, feldespatos, hornblendas, que tienen temperaturas bajas de “cerrado” (closure temperature, 125 ºC para la mica y 450 ºC para las hornblendas).

El método K-Ar se ha empleado para determinar la sucesión de períodos geológicos de la tierra, para fijar la edad de la Tierra en unos 4,5 mil millones de años y para fijar los inicios de la humanidad (en África del este) hace aproximadamente 5 millones de años. Este método también se ha aplicado para estudiar la frecuencia de intercambio de los polos magnéticos de la tierra.

El ⁸⁷Rb se desintegra a ⁸⁷Sr con una vida media de alrededor de 48 millones de años. Los otros isótopos de Sr (A=84, 86, 88) son estables, por lo que el estroncio es un trazador útil para el estudio de la edad y el contenido de rubidio en las rocas, y también se ha utilizado para datar muestras lunares. La relación ⁸⁷Sr⁸⁶Sr/ varía de 0,703 en rocas jóvenes a 0,750 en las más antiguas. Por tanto, con el método ⁸⁷Rb-⁸⁷Sr es posible datar materiales con edades comprendidas entre 10 y 10 000 millones de años.

Una historia interesante es la forma en que la datación mediante el método Rb-Sr ayudó a determinar el origen del rey Yax K 'uk Mo, que fundó la dinastía que gobernó la ciudad maya de Copán (actualmente en Honduras) durante 400 años.

En el Siglo VII, un pueblo modesto en Mesoamérica con el nombre de Copán (ubicado en la actual Honduras) se convirtió en una de las ciudades mayas más importantes. El aumento de su importancia se atribuye a Yax K 'uk Mo, quien llegó a Copán en el año 427.

En ese momento, Teotihuacán estaba en su apogeo, era la ciudad más grande de la Mesoamérica precolombina del valle de México. Ciudades a cientos de kilómetros de distancia copiaron el estilo de sus templos y adoptaron sus mismos dioses. Los artesanos de Copán representaron a Yax K 'uk Mo con atavíos de Teotihuacán, al parecer indicando los orígenes del rey y su asociación con Teotihuacán. Los orígenes de Yax K 'uk Mo permanecieron desconocidos hasta que se realizaron las mediciones de las proporciones de isótopos ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr y ¹⁸O/¹⁶O en los dientes y los huesos de sus restos en Copán.

La península de Yucatán donde el rey Yax K 'uk Mo vivió y murió está compuesta principalmente de sedimentos marinos, mostrando una suave variación de la relación ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (entre 0,7049 y 0,7089). El valle de México es de rocas volcánicas, y la variación presente allí es mayor, mientras que en Teotihuacán, su valor es más bajo (0,7046). El esmalte dental proporciona un recubrimiento durable para la dentina interior. Ambos contienen calcio, pero se formaron de manera muy diferente. El esmalte mineraliza cuando el diente crece durante la niñez, mientras que la dentina, como los huesos, se forma de manera continua durante la vida. El estroncio es químicamente similar al calcio y puede sustituirlo en el esmalte y la dentina de los dientes y en los huesos. Como el estroncio se absorbe de los alimentos, la relación ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr reflejará la naturaleza del suelo local. Así, el esmalte de los dientes de una persona lleva la firma isotópica de la comida y el agua de su país durante su primera infancia, mientras que las proporciones isotópicas en la dentina y los huesos reflejan su paraderos posteriores. Con un valor de 0.7084, la relación ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr en el esmalte tomado de un diente de Yax K 'uk Mo se corresponde con el valor de Tikal, al norte de Copán.

Derecha: Estatuilla de cerámica del rey Yax K 'uk Mo representado con atavíos teotihuacano (Derechos de autor Instituto Americano de Física 2004).

Izquierda: Mediciones de la relación ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr para diversas ciudades precolombinas de México y la península de Yucatán (Derechos de autor Instituto Americano de Física 2004).

La relación isotópica ¹⁸O/¹⁶O puede proporcionar otro indicador de lugar. El oxígeno entra en el cuerpo a través del suministro de agua, y la lluvia de nubes cerca del océano es más rica en ¹⁸O que la lluvia de las nubes que han viajado hacia el interior.

El análisis isotópico de las proporciones de estroncio y oxígeno en el esmalte de los dientes y de los huesos de Yax K 'uk Mo no apoya su origen teotihuacano. En lugar de ello, se concluyó que pasó sus primeros años cerca de Tikal y se trasladó más tarde a Copán.