Comparații între abundența observată a anumitor radioizotopi naturali și a produșilor dezintegrării lor, folosind timpii de înjumătățire cunoscuți, pot fi folosite pentru a măsura intervale de timp de la vremurile dinainte formării Pământului la zilele noastre. De exemplu, măsurarea raportului de izotopi stabili și radioactivi din meteoriți ne poate da informații despre istoria și proveniența lor.

Tehnicile de datare radiometrice au fost pionierate de către Bertram Boltwood în 1907, când a fost primul care a stabilit vârsta rocilor măsurând produșii de fisiune ai uraniului până la plumb.

Astăzi datarea radiometrică este considerată o metodă de datare foarte fiabilă și este principala sursă de informații despre vârsta absolută a rocilor și a altor obiecte geologice, incluzând vârstă Pământului. Aceste tehnici pot fi extinse pentru a data o panoplie de materiale făcute de om, de asemenea. Deoarece elementele radioactive au perioade de înjumătățire variate, există numeroase metode ce se aplică la intervale de timp diferite. Printre cele mai cunoscute tehnici se află cele ale radio-carbonului, datarea cu uraniu-plumb și cea cu potasiu-argon.

Carbonul este cărămida de bază a compușilor organici și ca atare o parte esențiala a vieții pe Pământ. Carbonul natural are doi izotopi stabili ¹²C (98.9%) și ¹³C (1.1%), și o fracție infimă din radioizotopul ¹⁴C (1.2 x 10-12%), cu un timp de înjumătățire de 5730 de ani. ¹⁴C este produs de razele cosmice în atmosferă și apoi distribuit în natură (93% în oceane, 5% în biosferă și 2% în atmosferă).

Carbonul (prin care înțelegem toți cei 3 izotopi) este absorbit de organismele vii, pe tot parcursul vieții lor. Totuși, când un organism moare, acest proces se oprește. ¹⁴C instabil se dezintegrează în ¹⁴N printr-o tranziție beta (emisie de electron), iar conținutul de ¹⁴C descrește exponențial cu timpul. Măsurând cât ¹⁴C a rămas nedezintegrat la un moment dat în timp, se poate afla cu câtă vreme înainte acel organism a murit.

Radiocarbonul s-a dezvoltat în anii 1950, iar Willard Libby a primit Premiul Nobel pentru chimie în 1960 pentru uzul acestei metode în datări arheologice, geologice, geofizice și în multe alte ramuri ale științei.

Un spectrometru de masă cuplat la un accelerator este folosit pentru a data probe ce conțin doar câteva miligrame de carbon, măsurând raportul ¹⁴C/¹²C (Imagine prin amabilitatea J. Forest, CNRS Phototheque).

Totuși datarea cu radiocarbon își are limitările. Carbonul este absorbit numai de organismele vii (sau mai bine zis care au fost vii la un moment dat) precum lemnul sau fosilele, deci nu poate fi folosit la datarea pietrelor sau a ceramicii de exemplu, iar metoda este precisă numai pentru obiecte de până la 60.000 de ani.

Mulți ani s-a considerat conținutul de ¹⁴C din atmosferă ca find constant. Acum știm despre câmpurile magnetice terestre și solare că variază în timp. Aceasta înseamnă ca fluxul de raze cosmice ce penetrează atmosfera variază la rândul sau, ca atare variază și rata de producere a ¹⁴C. Aceasta duce la necesitatea calibrării datării cu ¹⁴C în acord cu alte tehnici. Una din ele este dendrocronologia, sau datarea cu trei inele.

Variații pe 3 inele: 1- primul an de creștere, 2 – an ploios (inel mai gros), 3 – an uscat (inel mai îngust), 4 – cicatrice de la un incendiu în pădure.

Dendrocronologia implică obținerea unei secțiuni transversale a trunchiului unui copac și analizarea inelelor vizibile cauzate de creșterea naturală a plantei. Aceste inele rezultă din schimbările vitezei de creștere a copacului în decursul sezoanelor anului, în general un inel corespunzând trecerii unui an. Aceasta tehnică funcționează cel mai bine în zonele cu climat temperat, unde sezoanele diferă mai remarcabil și este evident ca nu putem data decât la puține sute de ani, arborii atât de bătrâni fiind foarte rari.

Multe picturi rupestre datând de acum 30.000 ani au fost investigate folosind ¹⁴C, deoarece materialele folosite sunt în principal de origine organică.

Picturi rupestre datate cu ¹⁴C. imagine de la N. Aujoulat (CNP-Ministerul Culturii și Comunicării).

Datarea cu radiocarbon poate fi folosită inclusiv la artefacte mai neobișnuite. În septembrie 1991 doi alpiniști au descoperit un om ieșit pe jumătate din gheață într-o regiune muntoasă din Alpi. Omul de gheață, ulterior botezat Ötzi, după lanțul muntos în care a fost găsit, se poate să fi murit acum peste 4000 de ani.

Măsurători detaliate cu ¹⁴C au fost făcute în mod independent de patru institute diferite pe oase și țesuturi de-ale lui Ötzi (la Innsbruck, Bolzano, Zurich și Oxford), pe obiecte și materiale creditate ca aparținând lui Ötzi, (la Uppsala, Gif/Yvette și Viena), și pe sedimente colectate din situl unde a fost descoperit. Vârstă necalibrată a fost de 4550 ani. Translatată în vârstă calibrată cu ajutorul inelelor de arbori, Ötzi pare sa fie cu încă 650 de ani mai bătrân. Așadar Ötzi a murit între 3350 și 3100 i.Hr.

Analiza cadavrului a revelat detalii impresionante despre viața sa. Analiza cerealelor găsite în intestine și a mineralelor din păr au dus la concluzia ca Ötzi venea din sudul Tyrolului când a fost prins în zăpada și gheață. Mâncase terci de ovăz (sau un fel de făină), legume și carne cu puțin timp înainte de a muri. Mai mult, analizând izotopii de carbon și oxigen din dinții și oasele omului de gheață, cercetătorii au putut sa diferențieze țara în care a copilărit de cea în care a trăit mai târziu. Știm de asemenea ca era un om de 45 de ani cu părul închis, voluminos, până la umeri și ochi albaștri. Totuși, cercetări mai recente bazate pe genom sugerează ca Ötzi ar fi originar din Sardinia!

Metoda celor trei inele de arbore este utilă pentru calibrarea metodei ¹⁴C până la aproximativ 11.000 ani. Pentru vârste cuprinse între 10.000 și 30.000 de ani, tehnica calibrării întrebuințate este cea cu uraniu-toriu din sedimente de lac și corali.

În decursul vieții lor, coralii absorb uraniul (cu un timp de înjumătățire de 245.5 ani) prezent în apa marii, dar ei nu absorb toriul (²³⁰Th). După ce coralii mor, uraniul se dezintegrează și devine ²³⁰Th care se acumulează în scheletul lor. Măsurarea raportului uraniu/toriu ne poate da indicații despre vârstă coralilor.

Dar toriul este la rândul sau radioactiv și se dezintegrează (perioada de înjumătățire de 75.380 de ani) în alte elemente într-un lanț destul de lung, ajungând într-un final la Plumb, ceea ce face procesul de datare puțin mai complicat. Metoda U-Th poate fi folosită la datarea organismelor vechi de la 10.000 până la 500.000 de ani.

Totuși metoda are anumite limitări. Studii recente au arătat ca plumbul poate fi produs prin captură de neutroni și deci poate proveni în probă pe altă cale decât dezintegrarea Uraniului. Acest fapt poate schimba rezultatele datării.

Coral folosit ca referință pentru metoda de datare U-Th. Imagine de la J. Lecomte (CNRS Photothèque).

Termoluminescența a fost descoperită de Sir Boyle în 1663. Multe materiale cristaline precum anumite minerale posedă aceasta proprietate de a emite lumina când sunt încălzite. Trei sute de ani după aceasta descoperire, oamenii de știință au învățat sa explice efectul. Când un material este expus la radiații de înaltă energie, electronii din material se mută pe stări excitate. În anumite minerale aceasta energie este atunci prinsă înauntru datorită defectelor din rețeaua cristalină. Dar atunci când cristalul este încălzit, electronii pot reveni pe paturile energetice inferioare, emițând cate un foton la fiecare astfel de tranziție.

Pierre și Marie Curie au notat că anumite obiecte din sticla din laboratorul lor se colorau intens când erau atinse de radiație și că aceste culori dispăreau cu emisie simultană de lumină când materialul era încălzit.

A fost demonstrat ca intensitatea luminii emise este direct proporțională cu cantitatea de radiație primită de material. Astfel, termoluminescența poate fi folosită pentru datarea obiectelor ce au fost expuse la raze cosmice sau la radiație telurică, deoarece doza depinde de vârstă obiectului.

Aceasta tehnică are multe aplicații - cum ar fi datarea cremenelui, a ceramicii și vaselor din perioada preistorică. Artefactele cele mai vechi ce pot fi astfel datate au aproximativ 250.000 de ani.

Deasupra: radonul da o tentă albastră unui recipient din laboratorul soților Pierre și Marie Curie. Imagine de la C. Delhaye (CNRS Photothèque).

Stânga: ceramică datată prim termoluminescență de 7 până la 10 mii de ani. Imagine de la A. Chênè (CNRS Photothèque). Jos: scheletele unei femei și ale unui copil datate prin termoluminescență ca fiind vechi de 90.000 de ani. Imagine de la CEA-CNRS-CFR.

Când ⁴⁰K se dezintegrează în ⁴⁰Ar înăuntrul rocilor, gazul ⁴⁰Ar rămâne în piatra și nu poate ieși, mai puțin dacă mineralul este încălzit. Cantitatea de argon dintr-o rocă ne arată astfel care este momentul în care a fost răcită ultima dată.

Metoda K-Ar este bine adaptată pentru studierea activității vulcanice, și știind că ⁴⁰K are un timp de înjumătățire de 1.3 miliarde de ani, metoda este folosită în geocronologie pentru a data perioade de acum 10⁶ până la 10⁹ ani. ⁴⁰K radioactiv este comun în mică, feldspați, pehblendă , care au temperaturi de blocare (prin cristalizare) destul de joase (respectiv de la 125°C pentru mică la 450°C pentru pehblendă).

Metoda K-Ar a fost folosită pentru determinarea succesiunii perioadelor geologice pe Pământ, pentru a determina vârstă Pământului, estimată la aproximativ 4.5 miliarde de ani și pentru a stabili când a fost începutul omenirii (în Africa de Est), acum aproximativ 5 milioane de ani). Metoda este de asemenea folosită pentru a măsura rata de inversare a câmpului magnetic terestru.

⁸⁷Rb se dezintegrează în ⁸⁷Sr cu o perioadă de înjumătățire de aproximativ 48 de miliarde de ani, ceea ce face ca Stronțiul să fie un trasor util pentru vârstă și conținutul de rubidiu din roci; el a fost de asemenea folosit la datarea de probe lunare. Raportul ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr variază de la 0.703 pentru rocile tinere la 0.750 pentru cele mai vechi. Cu ajutorul metodei ⁸⁷Rb - ⁸⁷Sr putem data materiale vechi de la 10 milioane până la 10 miliarde de ani.

O poveste interesantă este cea a folosirii metodei Rb-Sr ca ajutor la determinarea originii regelui Yax K’ uk Mo, care a fondat dinastia ce a condus orașul Copan (acum în Honduras) pentru 400 de ani.

În secolul VIII, un sat modest din Mesoamerica numit Copan (aflat astăzi în Honduras) a devenit unul dintre cele mai importante orașe Maya. Aceasta creștere a importanței localității este atribuită în principal lui Yax K’ uk Mo, care a ajuns în Copan în anul 427.

La vremea respectivă, Teotihuacan era de la înălțimea sa, cel mai mare oraș din Mesoamerica pre-Columbiană din valea Mexicului. Orașe aflate la sute de kilometri distanță copiau stilul templelor și adoptau aceiași zei. Artizanii din Copan îl descriau pe Yax K’ uk Mo cu obiecte ornamentale din Teotihuacan, pesemne indicând originile regelui și asocierea cu Teotihuacan. Originile lui Yax K’ uk Mo au rămas neclare până când s-au făcut măsurători de rapoarte izotopice ⁸⁷Sr / ⁸⁷Sr și ¹⁸O / ¹⁶O pe probe de dinți și os din rămășitele sale din Copan.

Peninsula Yucatan, unde regele Yax K’ uk Mo a trăit și a murit este alcătuită în principal de sedimente marine. Acolo întâlnim o variație mică a a raportului ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr (între 0.7049 și 0.7089). Valea Mexicului este făcută din roci vulcanice, iar acolo variația este mai mare, în timp ce la Teotihuacan valoarea este mai mică (0.7046). Smalțul dinților reprezintă un înveliș protector durabil pentru dentina ce se află dedesubt. Amândouă conțin calciu, însă se formează diferit. Smalțul mineralizează când dintele crește în copilărie, dentina precum oasele în cursul vieții. Stronțiul este chimic apropiat de calciu și îl poate înlocui în smalțul și dentina dinților, precum și în oase. Stronțiul este absorbit prin mâncare, iar raportul ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr reflectă natura solului local. Astfel, smalțul dinților unei persoane poartă amprenta izotopică a mâncării și apei locului în care au copilărit, pe când rapoartele izotopice din dentină și oase țin de locurile unde a trăit mai târziu. Cu o valoare de 0.7084, raportul ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr din smalțul unui dinte de-al lui Yax K‘ uk Mo, acesta corespundea regiunii Tikal, nord de Copan.

Dreapta: figura ceramică a regelui Yax K‘ uk Mo, reprezentat cu obiecte ornamentale din Teotihuacan (Copyright American Institute of Physics 2004).

Stânga: măsurători ale raportului ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr pentru numeroase orașe pre-Columbiene din Mexic și Peninsula Yucatan (Copyright American Institute of Physics 2004).

Raportul izotopic ¹⁸O / ¹⁶O poate furniza un alt indicator de poziționare. Oxigenul intră în corp prin apă, iar norii de ploaie din apropierea oceanelor sunt mai bogați în ¹⁸O decât cei care au călătorit mult înăuntrul continentului.

Analiza izotopică a rapoartelor de stronțiu și oxigen din smalțul și oasele regelui Yax K‘ uk Mo nu susține teoria originii din Teotihuacan. În schimb, s-a conchis că și-a petrecut copilăria lângă Tikal și s-a mutat ulterior în Copan.