Il processo fisico del decadimento radioattivo ha fornito a scienziati della Terra, antropologi e biologi evoluzionisti il loro metodo più importante per determinare l’età assoluta delle rocce e di altri materiali (Dalrymple 1991; Dickin 2005). Questa tecnica notevole, che dipende dalle misurazioni delle proprietà distintive dei materiali radioattivi, è chiamato geocronologia radioisotopi, o semplicemente “radiometrica incontri.”
Tracce di isotopi di elementi radioattivi, tra cui carbonio-14, uranio-238 e dozzine di altri, sono tutt’intorno a noi—nelle rocce, nell’acqua e nell’aria (Tabella 1). Questi isotopi sono instabili, in modo che gradualmente rompere a parte o “decadimento.”La datazione radiometrica funziona perché gli elementi radioattivi decadono in modo prevedibile, come il normale ticchettio di un orologio. Ecco come funziona. Se si dispone di una collezione di un milione di atomi di un isotopo radioattivo, la metà di loro decadrà in un arco di tempo chiamato “emivita.”L’uranio-238, ad esempio, ha un’emivita di 4.468 miliardi di anni, quindi se si inizia con un milione di atomi e tornare in 4.468 miliardi di anni, troverete solo circa 500.000 atomi di uranio-238 rimanenti. Il resto dell’uranio sarà decaduto a 500.000 atomi di altri elementi, in definitiva a atomi stabili (cioè non radioattivi) di piombo-206. Aspetta altri 4.468 miliardi di anni e rimarranno solo circa 250.000 atomi di uranio (Fig. 8).
La datazione radiometrica si basa sulle caratteristiche simili all’orologio del decadimento radioattivo. In un’emivita, circa la metà di una collezione di atomi radioattivi decadrà. Sapendo con quanti atomi è iniziato un materiale, e poi misurando ciò che è rimasto, puoi misurare età di vecchi oggetti. Fonte: NCSE
Il metodo di datazione radiometrica più noto coinvolge l’isotopo carbonio-14, con un’emivita di 5.730 anni. Ogni organismo vivente assume carbonio durante la sua vita. In questo momento, il tuo corpo sta prendendo il carbonio nel tuo cibo e convertendolo in tessuto, e lo stesso vale per tutti gli altri animali. Le piante assorbono anidride carbonica dall’aria e la trasformano in radici, steli e foglie. La maggior parte di questo carbonio (circa il 99%) è sotto forma di carbonio-12 stabile (non radioattivo), mentre forse l ‘ 1% è il carbonio-13 stabile leggermente più pesante. Ma una certa piccola percentuale del carbonio nel tuo corpo e di ogni altro essere vivente—non più di un atomo di carbonio ogni trilione—è sotto forma di carbonio radioattivo-14.
Finché un organismo è vivo, il carbonio-14 nei suoi tessuti viene costantemente rinnovato nella stessa piccola proporzione parte per trilione che si trova nell’ambiente generale. Tutti gli isotopi del carbonio si comportano allo stesso modo chimicamente, quindi le proporzioni degli isotopi di carbonio nel tessuto vivente saranno quasi le stesse ovunque, per tutti gli esseri viventi. Quando un organismo muore, tuttavia, smette di assumere carbonio di qualsiasi forma. Dal momento della morte, quindi, il carbonio-14 nei tessuti non viene più reintegrato. Come un ticchettio dell’orologio, gli atomi di carbonio-14 trasmutano per decadimento radioattivo in azoto-14, atomo per atomo, per formare una percentuale sempre più piccola del carbonio totale. Gli scienziati possono quindi determinare l’età approssimativa di un pezzo di legno, capelli, ossa o altro oggetto misurando attentamente la frazione di carbonio-14 che rimane e confrontandola con la quantità di carbonio-14 che assumiamo fosse in quel materiale quando era vivo. Se il materiale sembra essere un pezzo di legno estratto da una tomba egizia, per esempio, abbiamo una stima abbastanza buona di quanti anni il manufatto è e, per inferenza, quando la tomba è stata costruita. Inoltre, gli scienziati hanno condotto meticolosi confronti anno per anno delle date di carbonio-14 con quelle delle cronologie degli anelli degli alberi (Reimer et al. 2004). Il risultato: le due tecniche indipendenti danno esattamente le stesse date per il legno fossile antico.
La datazione al carbonio-14 appare spesso nelle notizie nei rapporti di antichi manufatti umani. In una scoperta molto pubblicizzata nel 1991, un antico cacciatore è stato trovato congelato nel ghiaccio delle Alpi italiane (Fig. 9). “Ötzi l’uomo venuto dal ghiaccio”, come veniva chiamato, è stato dimostrato dalle tecniche di carbonio-14 fino a circa 5.300 anni fa. La tecnica ha fornito determinazioni di età simili per i tessuti dell’uomo venuto dal ghiaccio, i suoi vestiti e i suoi attrezzi (Fowler 2000).
Ötzi l’uomo venuto dal ghiaccio è stato scoperto nel 1991 congelato nelle Alpi italiane. La datazione al carbonio-14 ha rivelato che è morto circa 5.300 anni fa. Foto per gentile concessione del Museo Archeologico dell’Alto Adige, www.iceman.it
La datazione al carbonio-14 è stata determinante nella mappatura della storia umana negli ultimi decine di migliaia di anni. Quando un oggetto ha più di circa 50.000 anni, tuttavia, la quantità di carbonio-14 rimasta in esso è così piccola che questo metodo di datazione non può essere utilizzato. Ad oggi rocce e minerali che hanno milioni di anni, gli scienziati devono fare affidamento su tecniche simili che utilizzano isotopi radioattivi di emivita molto maggiore (Tabella 1). Tra gli orologi radiometrici più utilizzati in geologia sono quelli basati sul decadimento del potassio-40 (emivita di 1,248 miliardi di anni), uranio-238 (emivita di 4,468 miliardi di anni) e rubidio-87 (emivita di 47 miliardi di anni). In questi casi, i geologi misurano il numero totale di atomi del genitore radioattivo e degli elementi figlia stabili per determinare quanti nuclei radioattivi erano presenti all’inizio. Così, per esempio, se una roccia originariamente formata molto tempo fa con una piccola quantità di atomi di uranio ma senza atomi di piombo, allora il rapporto tra atomi di uranio-piombo oggi può fornire un cronometro geologico accurato.
Quando vedi le stime dell’età geologica riportate nelle pubblicazioni scientifiche o nelle notizie, è probabile che quei valori derivino da tecniche di datazione radiometrica. Nel caso del primo insediamento del Nord America, ad esempio, resti di falò ricchi di carbonio e artefatti associati indicano una presenza umana di circa 13.000 anni fa. Eventi molto più vecchi nella storia della vita, alcuni che risalgono a miliardi di anni, sono spesso basati sulla datazione al potassio-40. Questa tecnica funziona bene perché i fossili sono quasi sempre conservati in strati di sedimenti, che registrano anche periodiche cadute di cenere vulcanica come orizzonti sottili. La cenere vulcanica è ricca di minerali portanti potassio, quindi ogni caduta di cenere fornisce un marcatore temporale unico in una sequenza sedimentaria. L ” ascesa degli esseri umani circa 2.5 milioni di anni fa, l’estinzione dei dinosauri 65 milioni di anni fa, la comparsa di animali con gusci duri a partire da circa 540 milioni di anni fa, e altre transizioni chiave nella vita sulla Terra sono solitamente datate in questo modo (Fig. 10).
I paleontologi si affidano alla datazione radiometrica per determinare l’età dei fossili, come questo trilobite di 310 milioni di anni, Ameura major, vicino a Kansas City, Kansas. Foto per gentile concessione Hazen Collection, Smithsonian Institution
Le rocce più antiche conosciute, tra cui basalto e altre formazioni ignee, solidificate da fusioni incandescenti roventi. Questi campioni durevoli dalla luna e meteoriti sono in genere poveri di potassio, ma per fortuna, essi incorporano piccole quantità di uranio-238 e altri isotopi radioattivi. Non appena queste rocce fuse si raffreddano e si induriscono, i loro elementi radioattivi vengono bloccati in posizione e iniziano a decadere. Il più antico di questi campioni sono diversi tipi di meteoriti, in cui poco più della metà dell’uranio originale è decaduto per portare. Queste rocce spaziali primordiali, gli avanzi della formazione della Terra e di altri pianeti, producono un’età di circa 4,56 miliardi di anni per il nascente sistema solare. Le più antiche rocce lunari conosciute, a circa 4,46 miliardi di anni, registrano anche questi primi eventi formativi (Norman et al. 2003).
La Terra deve essersi formata all’incirca nello stesso periodo, ma la superficie originale del nostro inquieto pianeta si è ormai erosa. Solo pochi grani ricchi di uranio e di dimensioni sabbiose dello zircone minerale resistente, alcuni vecchi di 4,4 miliardi di anni, sopravvivono (Wilde et al. 2001). Tuttavia, le rocce contenenti uranio, in ogni continente, forniscono una cronologia dettagliata della Terra primitiva (Hazen et al. 2008, 2009). Le rocce terrestri più antiche, a circa quattro miliardi di anni, indicano le prime origini dei continenti. Le rocce di quasi 3,5 miliardi di anni fa ospitano i più antichi fossili inequivocabili-microbi primitivi e strutture a cupola chiamate stromatoliti, che formavano le loro case rocciose(Fig. 11). Formazioni sedimentarie ricche di uranio e depositi stratificati di ossidi di ferro da circa 2,5 a 2,0 miliardi di anni documentano il graduale aumento dell’ossigeno atmosferico attraverso la fotosintesi (Hazen et al. 2008, 2009). Infatti, ogni fase della storia della Terra è stata datata con squisita precisione e precisione grazie a tecniche radiometriche.
Stromatoliti, come questo 2.esempio di 45 miliardi di anni dalla regione di Tervola della Finlandia nord-occidentale, forma per azione microbica. I metodi radiometrici forniscono un approccio accurato alla datazione di sedimenti così antichi. Foto per gentile concessione di Dominic Papineau