Porównania obserwowanych zawartości niektórych izotopów promieniotwórczych i ich produktów rozpadu, dla znanych prędkości rozpadu, można wykorzystać do pomiarów skal czasowych od okresu przed powstaniem Ziemi aż do chwili obecnej. Na przykład, mierząc w meteorytach stosunek ilości izotopów stabilnych do niestabilnych możemy zdobyć informację o ich historii i pochodzeniu.

Techniki radiometrycznego datowania zostały zapoczątkowane przez Bertrama Boltwooda w roku 1987, kiedy to on, jako pierwszy, mierząc produkty rozpadu uranu do ołowiu ustalił wiek skał.

Dziś, datowanie radiometryczne uznaje się za bardzo wiarygodną metodę i źródło podstawowej informacji o bezwzględnym wieku skał i innych formacji geologicznych, włączając wiek samej Ziemi. Techniki te można rozszerzyć także na ustalanie wieku szerokiej gamy materiałów wytwarzanych przez człowieka. Ponieważ pierwiastki promieniotwórcze mają bardzo różne okresy połowicznego zaniku, istnieje wiele metod, stosowanych do różnych skal czasowych. Najbardziej znanymi technikami są datowanie węglem promieniotwórczym, datowanie uranowo-ołowiowe i potasowo-argonowe.

Węgiel jest podstawowym budulcem związków organicznych i z tego względu jest zasadniczą częścią życia na ziemi. Naturalny węgiel posiada dwa izotopy stabilne ¹²C (98.9%) i ¹³C (1.1%) oraz niewielką ilość radioizotopu ¹⁴C (1.2 x 10^-12%) o okresie połowicznego zaniku wynoszącym 5730 lat. Izotop ¹⁴C (radiowęgiel) tworzony jest przez promieniowanie kosmiczne w atmosferze i rozprowadzony w 93% do oceanów, w 5% do biosfery i 2% do atmosfery.

Węgiel (wszystkie trzy izotopy) jest absorbowany przez żywe organizmy i w sposób ciągły uzupełniany w trakcie ich cyklu życiowego. Gdy jednak organizm umiera, proces ten zatrzymuje się. Niestabilny ¹⁴C przechodzi w rozpadzie beta (emisja elektronu) do ¹⁴N a zawartość ¹⁴C maleje eksponencjalnie w funkcji czasu. Mierząc ile w danej chwili pozostało promieniotwórczego ¹⁴C można ocenić jak dawno dany organizm zakończył życie.

Datowanie radiowęglem rozwinięto w latach 1950., a Willard Libby otrzymał Nagrodę Nobla z chemii za wykorzystanie ¹⁴C do określania wieku w archeologii, geologii, geofizyce i wielu innych gałęziach nauki.

Spektrometr mas sprzężony z akceleratorem może wykonać datowanie próbek o masie zaledwie kilku miligramów węgla mierząc stosunek ¹⁴C/¹²C (dzięki uprzejmości J.Foresta, CNRS Photothèque).

Datowanie radiowęglem ma jednak swoje ograniczenia. Węgiel jest absorbowany jedynie przez żywe organizmy (a raczej przez obiekty, które żyły jakiś czas temu), jak drewno czy skamieliny - nie można więc nim datować np. kamieni czy ceramiki, a sama metoda jest dokładna jedynie w badaniach obiektów nie starszych niż około 60000 lat.

Przez wiele lat sądzono, że zawartość ¹⁴C w atmosferze była stała. Obecnie wiemy, ze pole ziemskie i magnetyczne Ziemi zmieniają się w czasie. Oznacza to, że strumień promieniowania kosmicznego wpadającego do atmosfery zmienia się, a więc zmienia się także tempo tworzenia ¹⁴C. Wymusza to kalibrację datowania izotopem ¹⁴C w odniesieniu do innych technik. Jedną z nich jest dendrochronologia (lub datowanie w oparciu o cechy słojów w drzewie).

Zmiany słojów w drzewie: 1 - pierwszy rok wzrostu drzewa, 2 - deszczowy sezon (grubsze pierścienie), 3 - sezon suchy (węższe pierścienie) i 4 - uszkodzenia spowodowane pożarem lasu.

Dendrochronologia wymaga horyzontalnego przekroju poprzecznego przez główny pień drzewa i przeanalizowania widocznych słojów wywołanych naturalnym wzrostem rośliny. Słoje są wynikiem zmian w szybkości wzrostu w ciągu roku, przy czym każdy słój pokazuje minięcie jednego roku w życiu drzewa. Technika ta daje najlepsze wyniki dla znalezisk w krajach o klimacie umiarkowanym, w którym pory roku wyraźniej się różnią i, oczywiście, można datować tylko kilkaset lat do tyłu, jako że bardzo starych drzew jest niewiele.

Wiele prehistorycznych malowideł w pieczarach, datowanych na 30000 lat temu, było badanych przy użyciu datowania radiowęglem, gdyż materiały używane do malowania składały się głównie ze związków organicznych.

Malowidła jaskiniowe datowane izotopem ¹⁴C. Zdjęcie za uprzejmością N. Aujoulata (CNP- Ministère de la culture et de la communication).

Datowanie przy użyciu radiowęgla może służyć nawet do określania wieku bardziej niezwykłych znalezisk archeologicznych. We wrześniu 1991 roku dwóch wędrowców odkryło w górskim rejonie Alp ciało mężczyzny wystające do połowy z lodu. Lodowy człowiek, nazwany później za nazwą obszaru górskiego, w którym został znaleziony - Ötzi mógł umrzeć około 4000 lat temu.

Szczegółowe badania przy użyciu ¹⁴C przeprowadzono na kościach i tkankach pobranych u Ötzi niezależnie przez cztery instytuty (w Innsbrucku, Bolzano, Zurichu i Oxfordzie), na przedmiotach i materiałach bez wątpienia należących do lodowego człowieka (w Uppsali, Gif/Yvette i Wiedniu) i na osadach zebranych z miejsca znaleziska (w Wiedniu). Niekalibrowany wiek wyniósł 4550 lat. Po skalibrowaniu przy wykorzystaniu krzywych kalibracyjnych otrzymanych techniką pierścieni drzewnych, wiek Ötziego podwyższono o 650 lat. Tak więc Ötzi umarł pomiędzy rokiem 3350 i 3100 p.n.e.

Analiza tułowia odkryła zdumiewający szczegół z jego życia. Analiza ziaren zbóż znalezionych w jego jelitach, jak i minerałów we włosach wskazuje , że Ötzi przyszedł z południowego Tyrolu, po czym został zaskoczony przez śnieg i lód. Jadł on tuż przed śmiercią owsiankę z pszenicy samopszej (eincorn), rośliny i mięso. Ponadto, dzięki analizie izotopów węgla i tlenu w zębach oraz kościach lodowego człowieka uczeni mogli odróżnić kraj jego wczesnego dzieciństwa od tego, który zamieszkiwał później. Wiemy też, że miał 45 lat, ciemne, kręcone włosy i niebieskie oczy. Ostatnie analizy genomu pokazały jednak, że Ötzi pochodził z Sardynii!

Technika słojów drzewnych jest użyteczna dla skalibrowania wyników datowaniu izotopem ¹⁴C i ocen wieku do około 11000 lat. Dla okresu od 10000 do 30000 lat korzysta się z metody uranowo-torowej dla osadów i korali.

Korale podczas swego życia absorbują uran (z okresem połowicznego zaniku 245,5 lat) z wody morskiej, nie absorbują jednak toru (²³⁰Th). Gdy koral umiera, uran rozpada się do (²³⁰Th), który akumuluje się w ich szkielecie. Pomiar stosunku U/Th może wskazać na wiek korala.

Tor jest jednak także radioaktywny i rozpada się (z okresem połowicznego zaniku 75380 lat) do innych pierwiastków w długim łańcuchu rozpadów kończącym się ołowiem, co czyni proces datowania trochę bardziej skomplikowanym. Metoda U-Th nadaje się do datowania obiektów, których wiek wynosi od 10000 do 500000 lat.

Metoda ta ma jednak swoje ograniczenia. Ostatnie badania wskazały, że ołów może powstawać w wyniku reakcji wychwytu neutronów i może więc wcale nie pochodzić z łańcucha rozpadów uranu. To oczywiście zmieni wynik datowania.

Na zdjęciu koral używany w metodzie U-Th jako referencyjny. Za uprzejmością J. Lecomte'a (CNRS Photothèque).

Termoluminescencja została odkryta przez Sir Boyle'a w roku 1663. Wiele materiałów krystalicznych jak niektóre minerały mają własność emitowania światła w wyniku ogrzewania. Trzysta lat po tym odkryciu uczeni zrozumieli mechanizm tego zjawiska. Gdy materiał zostanie eksponowany na wysokoenergetyczne promieniowanie, elektrony materiału przechodzą do stanów wzbudzonych. Dzięki istnieniu defektów w kryształach, w niektórych minerałach energia wzbudzenia jest przechwytywana przez materiał. Gdy jednak taki kryształ podgrzewamy, elektrony mogą obniżyć swój stan energetyczny spadając na niższe powłoki energetyczne, emitując foton podczas każdego takiego przejścia.

Pierre i Marie Curie zauważyli, że pewne pojemniki szklane w ich laboratorium zaczynają świecić intensywnym kolorem pod wpływem promieniowania, a gdy materiał jest ogrzewany, to kolory te znikają z jednoczesną emisją światła.

Pokazano, że natężenie emitowanego światła jest wprost proporcjonalne do promieniowania pochłoniętego w minerale. Tak więc termoluminescencja może być wykorzystana do datowania obiektów, które były wystawione na działanie promieni kosmicznych lub promieniowania z gruntu, gdyż dawki zależą od wieku obiektów.

Technika ta ma wiele zastosowań, jak datowanie podgrzanego krzemienia, naczyń i ceramiki z okresu prehistorycznego. Najstarsze artefakty, które można było datować wykorzystując termoluminescencję mają wiek około 250000 lat. Za pozwoleniem C. Delhaye'a (CNRS Photothèque).

Na lewo: naczynia datowane metodą termoluminescencyjną na 7000 do 10000 lat. Za pozwoleniem A. Chênè'a (CNRS Photothèque). Poniżej: Szkielety kobiety i dziecka datowane metodą termoluminescencyjną na 92000 lat. Za pozwoleniem CEA – CNRS – CFR.

Gdy ⁴⁰K rozpada się wewnątrz skały do ⁴⁰Ar, gazowy ⁴⁰Ar pozostaje wewnątrz skały i nie może uciec dopóki minerał nie zostanie podgrzany. Ilość aronu w skale daje informację o czasie, który upłynął od ostatniego oziębienia.

Metoda K-Ar jest dobrze dopasowana do badania aktywności wulkanicznej. Ze względu na okres połowicznego zaniku ⁴⁰K, który wynosi 1,3 miliarda lat, metodę tę wykorzystuje się do datowania okresów od 10⁶ do 10⁹ lat temu. Radioaktywny ⁴⁰K można łatwo znaleźć w mikach, skaleniach i minerale o nazwie hornblendy, które mają stosunkowo niską temperaturę blokowania, poniżej której zatrzymuje się dyfuzja w minerale (od 125°C dla miki do 450°C dla hornblendy).

Metoda K-Ar była użyta do określenia kolejności okresów geologicznych na Ziemi, do ustalenia wieku Ziemi na około 4,5 miliarda lat i do stwierdzenia chwili pojawienia się ludzkiego rodu na Ziemi (we wschodniej Afryce) około 5 milionów lat temu. Metoda ta jest także wykorzystywana w wyznaczaniu tempa odwracania się biegunów ziemskiego pola magnetycznego.

⁸⁷Rb rozpada się do ⁸⁷Sr z okresem połowicznego zaniku około 48 miliardów lat. Pozostałe izotopy strontu (A = 84, 86, 88) są stabilne, stront jest więc dobrym znacznikiem wieku i zawartości rubidu w skałach. Był też używany do datowania próbek księżycowych. Stosunek ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr zmienia się od 0,703 w młodych skałach do 0,750 w najstarszych. Metodą ⁸⁷Rb - ⁸⁷Sr można zatem datować materiały, których wiek zawiera się pomiędzy 10 milionami a 10 miliardami lat.

Interesującą jest historia w jaki sposób datowanie metodą Rb-Sr pomogło w wyznaczeniu pochodzenia króla Yax K’ uk Mo, który utworzył dynastię rządzącą przez 400 lat Copán - miastem Majów (obecnie w Hondurasie).

W 8 wieku skromna wioska w Mezoameryce, o nazwie Copán (dziś znajdująca się w Hondurasie) stała się jednym z najważniejszych miast Majów. Wzrost znaczenia jest mocno przypisywany królowi Yax K’ uk Mo, który przybył do Copán w roku 427.

W tym czasie Teotihuakan było w najwyższym rozkwicie, było największym miastem w prekolumbijskiej Mezoameryce doliny Mexico. Miasta znajdujące się setki kilometrów dalej kopiowały jego styl świątyń i zaadoptowały tych samych bogów. Rzemieślnicy z Copán pokazywali Yax K’ uk Mo w Teotihuakańskim stroju władcy, bez wątpienia wskazując na jego królewskie pochodzenie i związki z Teotihuakanem. Pochodzenie Yax K’ uk Mo nie było jasne aż do wykonania w Copán pomiarów stosunku izotopów ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr oraz ¹⁸O / ¹⁶O w zębach i kościach jego szczątków.

Półwysep Yukatan, na którym król Yax K’ uk Mo żył i umarł jest zrobiony głównie z osadów morskich. Wykazuje on małe zmiany stosunku ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr (pomiędzy 0.7049 a 0.7089). Dolina Mexico zbudowana jest ze skał wulkanicznych i tam zmiany są wyraźniejsze, podczas gdy wartość tego stosunku w Teotihuacan jest niższa (0.7046). Szkliwo na zębie pozostaje trwałym pokryciem zębiny znajdującej się pod spodem. Jedno i drugie zawiera wapń, ale zostało utworzone w odmienny sposób. Szkliwo mineralizuje podczas wzrostu zęba w dzieciństwie, zębina zaś, jako rodzaj kości, tworzy się przez całe życie. Stront jest chemicznie pokrewny wapniowi i może go zastąpić w szkliwie i zębinie zęba oraz w kościach. Stront jest absorbowany z pożywienia, a stosunek ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr pokazuje naturę lokalnej gleby. Tak więc szkliwo zęba danej osoby niesie izotopowy znak jedzenia i wody z krainy, w której przebiegało dzieciństwo, a stosunek izotopowy w zębinie i kościach pokazuje na późniejsze zmiany. Stosunek 0.7084 izotopów ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr w szkliwie zdjętym z zęba Yax K’ uk Mo odpowiadał wartości w Tikal, na północ od Copán.

Po prawej: ceramiczna figurka króla Yax K’ uk Mo ukazana z ozdobami władcy Teotihuakańskiego (Prawa autorskie: American Institute of Physics 2004).

Z lewej: pomiary stosunku ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr w różnych miastach prekolumbijskich w Meksyku i na półwyspie Yukatan (Prawa autorskie: American Institute of Physics 2004).

Stosunek izotopowy 18O / 16O może stanowić inny wskaźnik miejsca. Tlen dostaje się do organizmu wraz z wodą, a deszcz z chmur w pobliżu oceanu jest bogatszy w ¹⁸O niż deszcz z chmur, które przybyły z głębi lądu.

Wyniki analizy izotopowej stosunku strontu do tlenu w szkliwie zęba i w kościach króla Yax K’ uk Mo nie podtrzymały tezy jakoby pochodził z Teotihuakan. Zamiast tego uznano, że swe wczesne lata spędził w pobliżu Tikal i przeniósł się do Copán później.