El proceso físico de desintegración radiactiva ha proporcionado a los científicos de la Tierra, antropólogos y biólogos evolutivos su método más importante para determinar la edad absoluta de las rocas y otros materiales (Dalrymple 1991; Dickin 2005). Esta técnica notable, que depende de las mediciones de las propiedades distintivas de los materiales radiactivos, se llama geocronología radioisotópica, o simplemente «datación radiométrica».»
Trazas de isótopos de elementos radiactivos, incluidos el carbono-14, el uranio-238 y docenas de otros, están a nuestro alrededor, en las rocas, en el agua y en el aire (Tabla 1). Estos isótopos son inestables, por lo que gradualmente se rompen o «decaen».»La datación radiométrica funciona porque los elementos radiactivos se descomponen de manera predecible, como el tictac regular de un reloj. Así es como funciona. Si tienes una colección de un millón de átomos de un isótopo radiactivo, la mitad de ellos se descompondrá en un lapso de tiempo llamado «vida media».»El uranio-238, por ejemplo, tiene una vida media de 4.468 mil millones de años, así que si empiezas con un millón de átomos y vuelves en 4.468 mil millones de años, encontrarás solo unos 500.000 átomos de uranio-238 restantes. El resto del uranio habrá decaído a 500.000 átomos de otros elementos, en última instancia a átomos estables (es decir, no radioactivos) de plomo-206. Espere otros 4.468 mil millones de años y solo quedarán unos 250.000 átomos de uranio (Fig. 8).
La datación radiométrica se basa en las características de reloj de la desintegración radiactiva. En un período de semidesintegración, aproximadamente la mitad de una colección de átomos radiactivos se descompondrá. Al saber con cuántos átomos comenzó un material, y luego medir lo que queda, se pueden medir edades de objetos viejos. Fuente: NCSE
El método de datación radiométrica más conocido involucra el isótopo carbono-14, con una vida media de 5,730 años. Todo organismo vivo absorbe carbono durante su vida. En este momento, su cuerpo está tomando el carbono de su comida y convirtiéndolo en tejido, y lo mismo es cierto para todos los demás animales. Las plantas absorben dióxido de carbono del aire y lo convierten en raíces, tallos y hojas. La mayor parte de este carbono (aproximadamente el 99%) está en forma de carbono-12 estable (no radiactivo), mientras que quizás el 1% es el carbono-13 estable ligeramente más pesado. Pero un pequeño porcentaje del carbono en su cuerpo y en todos los demás seres vivos, no más de un átomo de carbono en cada billón, está en forma de carbono radiactivo—14.
Mientras un organismo esté vivo, el carbono-14 en sus tejidos se renueva constantemente en la misma proporción pequeña, parte por billón, que se encuentra en el entorno general. Todos los isótopos de carbono se comportan de la misma manera químicamente, por lo que las proporciones de isótopos de carbono en el tejido vivo serán casi las mismas en todas partes, para todos los seres vivos. Sin embargo, cuando un organismo muere, deja de tomar carbono de cualquier forma. Por lo tanto, desde el momento de la muerte, el carbono-14 en los tejidos ya no se repone. Como un reloj, los átomos de carbono-14 se transmutan por desintegración radiactiva a nitrógeno-14, átomo por átomo, para formar un porcentaje cada vez menor del carbono total. Por lo tanto, los científicos pueden determinar la edad aproximada de un trozo de madera, cabello, hueso u otro objeto midiendo cuidadosamente la fracción de carbono-14 que queda y comparándola con la cantidad de carbono-14 que suponemos que estaba en ese material cuando estaba vivo. Si el material resulta ser un trozo de madera sacado de una tumba egipcia, por ejemplo, tenemos una estimación bastante buena de la antigüedad del artefacto y, por inferencia, cuándo se construyó la tumba. Lo que es más, los científicos han realizado comparaciones meticulosas año por año de las fechas de carbono-14 con las de las cronologías de anillos de árboles (Reimer et al. 2004). El resultado: las dos técnicas independientes producen exactamente las mismas fechas para la madera fósil antigua.
La datación por carbono-14 a menudo aparece en las noticias en informes de artefactos humanos antiguos. En un descubrimiento muy publicitado en 1991, un antiguo cazador fue encontrado congelado en la bolsa de hielo de los Alpes italianos (Fig. 9). «Ötzi, el hombre de hielo», como se le llamaba, fue mostrado por técnicas de carbono-14 hasta la fecha de hace unos 5.300 años. La técnica proporcionó determinaciones de edad similares para los tejidos del hombre de hielo, su ropa y sus implementos (Fowler 2000).
Ötzi el hombre de hielo fue descubierto en 1991 congelado en los Alpes italianos. La datación por carbono-14 reveló que murió hace unos 5.300 años. Foto cortesía del Museo de Arqueología del Tirol del Sur, www.iceman.it
La datación por carbono-14 ha sido fundamental en el mapeo de la historia humana en las últimas decenas de miles de años. Sin embargo, cuando un objeto tiene más de 50.000 años de antigüedad, la cantidad de carbono-14 que queda en él es tan pequeña que no se puede usar este método de datación. Para fechar rocas y minerales que tienen millones de años de antigüedad, los científicos deben confiar en técnicas similares que utilizan isótopos radiactivos de vida media mucho mayor (Tabla 1). Entre los relojes radiométricos más utilizados en geología se encuentran los basados en la desintegración del potasio-40 (vida media de 1,248 mil millones de años), el uranio-238 (vida media de 4,468 mil millones de años) y el rubidio-87 (vida media de 47 mil millones de años). En estos casos, los geólogos miden el número total de átomos de los elementos radioactivos padre e hijo estables para determinar cuántos núcleos radioactivos estaban presentes al principio. Así, por ejemplo, si una roca se formó originalmente hace mucho tiempo con una pequeña cantidad de átomos de uranio pero sin átomos de plomo, entonces la proporción de átomos de uranio a plomo hoy en día puede proporcionar un cronómetro geológico preciso.
Cuando vea estimaciones de edad geológica reportadas en publicaciones científicas o en las noticias, es probable que esos valores se deriven de técnicas de datación radiométrica. En el caso del asentamiento temprano de América del Norte, por ejemplo, los restos de fogatas ricas en carbono y los artefactos asociados apuntan a una presencia humana hace unos 13.000 años. Eventos mucho más antiguos en la historia de la vida, algunos que se remontan a miles de millones de años, a menudo se basan en la datación de potasio-40. Esta técnica funciona bien porque los fósiles casi siempre se conservan en capas de sedimentos, que también registran caídas periódicas de cenizas volcánicas como horizontes delgados. La ceniza volcánica es rica en minerales que contienen potasio, por lo que cada caída de ceniza proporciona un marcador de tiempo único en una secuencia sedimentaria. El ascenso de los humanos alrededor de 2.hace 5 millones de años, la extinción de los dinosaurios hace 65 millones de años, la aparición de animales con conchas duras a partir de hace unos 540 millones de años, y otras transiciones clave en la vida en la Tierra generalmente se fechan de esta manera (Fig. 10).
los Paleontólogos se basan en la datación radio-métrica para determinar las edades de los fósiles, como este de 310 millones de años, trilobites, Ameura mayor, de cerca de Kansas City, Kansas. Foto cortesía de Hazen Collection, Smithsonian Institution
Las rocas más antiguas conocidas, incluidas las formaciones de basalto y otras formaciones ígneas, solidificadas a partir de fundiciones incandescentes al rojo vivo. Estas muestras duraderas de la luna y los meteoritos son típicamente pobres en potasio, pero afortunadamente, incorporan pequeñas cantidades de uranio-238 y otros isótopos radiactivos. Tan pronto como estas rocas fundidas se enfrían y endurecen, sus elementos radiactivos se fijan en su lugar y comienzan a descomponerse. La más antigua de estas muestras son varios tipos de meteoritos, en los que un poco más de la mitad del uranio original se ha degradado hasta convertirse en plomo. Estas rocas espaciales primordiales, los restos de la formación de la Tierra y otros planetas, producen una edad de aproximadamente 4,56 mil millones de años para el naciente sistema solar. Las rocas lunares más antiguas conocidas, con aproximadamente 4,46 mil millones de años, también registran estos primeros eventos formativos (Norman et al. 2003).
La Tierra debe haberse formado aproximadamente al mismo tiempo, pero la superficie original de nuestro inquieto planeta ahora se ha erosionado. Solo sobreviven unos pocos granos ricos en uranio, del tamaño de arena, del mineral resistente circón, algunos tan antiguos como 4,4 mil millones de años (Wilde et al. 2001). Sin embargo, las rocas que contienen uranio, en cada continente, proporcionan una cronología detallada de la Tierra primitiva (Hazen et al. 2008, 2009). Las rocas terrestres más antiguas, de unos cuatro mil millones de años, apuntan a los primeros orígenes de los continentes. Las rocas de hace casi 3,5 mil millones de años albergan los fósiles inequívocos más antiguos: microbios primitivos y estructuras en forma de cúpula llamadas estromatolitos, que formaron sus hogares rocosos (Fig. 11). Las distintivas formaciones sedimentarias ricas en uranio y los depósitos en capas de óxidos de hierro de aproximadamente 2,5 a 2,0 mil millones de años documentan el aumento gradual del oxígeno atmosférico a través de la fotosíntesis (Hazen et al. 2008, 2009). De hecho, cada etapa de la historia de la Tierra ha sido fechada con exquisita exactitud y precisión gracias a técnicas radiométricas.
Estromatolitos, como este 2.ejemplo de 45 mil millones de años de antigüedad de la región de Tervola, en el noroeste de Finlandia, formado por acción microbiana. Los métodos radiométricos proporcionan un enfoque preciso para datar sedimentos tan antiguos. Foto cortesía de Dominic Papineau