Datazione al radiocarbonio: un’introduzione

  • Willard Libby ha sviluppato la datazione al radiocarbonio come metodo per la misurazione della radioattività.
  • Il carbonio-14 è un isotopo di carbonio debolmente radioattivo; noto anche come radiocarbonio, è un cronometro isotopico.
  • La datazione al radiocarbonio è applicabile solo per alcuni materiali organici e inorganici (non per i metalli).
  • Il conteggio proporzionale a gas, il conteggio a scintillazione liquida e la spettrometria di massa con acceleratore sono i tre principali metodi di datazione al radiocarbonio.
  • I laboratori di datazione al radiocarbonio utilizzano acido ossalico I e acido ossalico II come standard moderni.
  • Le misurazioni del radiocarbonio sono riportate come Età radiocarbonica convenzionale.

L’impatto della tecnica di datazione al radiocarbonio sulla vita dell’uomo moderno l’ha resa una delle scoperte più significative del 20esimo secolo. Nessun altro metodo scientifico ha rivoluzionato la comprensione dell’uomo non solo del proprio presente, ma anche di eventi accaduti migliaia di anni fa.

L’archeologia ed altre scienze umane utilizzano la datazione al radiocarbonio per sostenere o confutare teorie. Nel corso degli anni, la datazione al carbonio-14 ha trovato applicazione in geologia, idrologia, geofisica, scienza atmosferica, oceanografia, paleoclimatologia ed anche biomedicina.

Il pioniere della datazione al radiocarbonio

Dopo la fine della Seconda Guerra Mondiale il chimico fisico americano Willard Libby guidò un team di scienziati allo sviluppo di un metodo di misurazione dell’attività radiocarbonica. È riconosciuto come il primo scienziato ad aver suggerito che nella materia vivente potesse esistere un isotopo instabile di carbonio chiamato radiocarbonio o carbonio-14.

Libby ed il suo team di scienziati pubblicarono un documento che riassumeva la prima rilevazione di radiocarbonio in un campione organico. Libby è stato inoltre il primo a misurare il tasso di decadimento del radiocarbonio, stabilendo un’emivita di 5568 ± 30 anni.

Nel 1960 Libby ha ricevuto il Premio Nobel per la Chimica, a riconoscimento dei suoi sforzi nello sviluppo della datazione al radiocarbonio.

Principi di base della datazione al radiocarbonio

Beta AMS Lab

Il radiocarbonio, o carbonio-14, è un isotopo dell’elemento carbonio instabile e leggermente radioattivo. Gli isotopi stabili sono il carbonio-12 e il carbonio-13.

Il carbonio-14 si forma continuamente nell’alta atmosfera, per effetto dei neutroni dei raggi cosmici sugli atomi di azoto-14. Si ossida rapidamente nell’aria per formare anidride carbonica ed entra nel ciclo globale del carbonio.

Piante ed animali, nel corso della loro vita, assimilano carbonio-14 dall’anidride carbonica. Quando muoiono, lo scambio di carbonio con la biosfera termina ed il loro contenuto di carbonio-14 inizia a diminuire ad un tasso determinato dalla legge del decadimento radioattivo.

La datazione al radiocarbonio è essenzialmente un metodo progettato per misurare la radioattività residua. Conoscendo la quantità di carbonio-14 residua in un campione, è possibile conoscere l’età dell’organismo alla sua morte. Nota: i risultati della datazione al radiocarbonio indicano quando un organismo è vissuto, ma non quando il materiale proveniente da tale organismo è stato utilizzato.

Materiali databili con il radiocarbonio

Non tutti i materiali possono essere datati al radiocarbonio. La maggior parte dei composti organici, se non tutti, può essere datata. Anche alcuni materiali inorganici, come l’aragonite contenuta nelle conchiglie, possono essere datati, ammesso che la formazione del minerale abbia incluso l’assimilazione di carbonio-14 in equilibrio con l’atmosfera.

I campioni che sono stati sottoposti alla datazione al radiocarbonio fino ad oggi includono carbone, legno, ramoscelli, semi, ossa, conchiglie, cuoio, torba, fango lacustre, terreno, peli, vasellame, polline, pitture murali, coralli, residui di sangue, tessuti, carta o pergamena, resine, acqua ed altri ancora.

Su questi materiali vengono effettuati pretrattamenti fisici e chimici per rimuovere i possibili contaminanti prima di sottoporli all’analisi del contenuto di radiocarbonio.

Principali metodi di misurazione del radiocarbonio

Esistono tre tecniche principali per la misurazione del contenuto di carbonio-14 di un campione— il conteggio proporzionale a gas, il conteggio a scintillazione liquida e la spettrometria di massa con acceleratore.

Il conteggio proporzionale a gas è una tecnica di datazione radiometrica convenzionale che conteggia le particelle beta emesse da un campione. Le particelle beta sono prodotti del decadimento del radiocarbonio. Con questo metodo, il carbonio del campione viene convertito in anidride carbonica gassosa prima della misurazione nel contatore proporzionale a gas.

Il conteggio a scintillazione liquida è un’altra tecnica di datazione al radiocarbonio, popolare negli anni ’60. Con questo metodo, il campione è in forma liquida e viene aggiunto uno scintillatore. Questo produce un lampo di luce quando interagisce con una particella beta. Una provetta contenente il campione viene passata tra due fotomoltiplicatori ed il conteggio avviene solo quando entrambi i dispositivi registrano il lampo di luce.

La spettrometria di massa con acceleratore (AMS) è un metodo moderno di datazione al radiocarbonio ed è considerato il modo più efficiente di misurare il contenuto di radiocarbonio di un campione. Con questo metodo, il contenuto di carbonio-14 viene misurato direttamente in relazione al carbonio-12 e carbonio-13 presenti. Questo metodo non prevede il conteggio delle particelle beta, ma del numero di atomi di carbonio presenti nel campione e la proporzione degli isotopi.

Standard della datazione al radiocarbonio

L’età radiocarbonica di un campione di età sconosciuta può essere determinata misurandone il contenuto di carbonio-14 e confrontando il risultato con l’attività del carbonio-14 in campioni moderni e di riferimento.

Il principale standard moderno utilizzato nei laboratori di datazione al radiocarbonio era l’acido ossalico I, ottenuto dal National Institute of Standards and Technology del Maryland (Stati Uniti). Questo acido ossalico era stato estratto dalle barbabietole da zucchero nel 1955. Circa il 95% dell’attività radiocarbonica dell’acido ossalico corrisponde all’attività radiocarbonica misurata dello standard radiocarbonico assoluto—del legno nel 1890 non influenzato dagli effetti dei carburanti fossili.

Quando le scorte di acido ossalico I erano state quasi completamente esaurite, fu realizzato un nuovo standard con melassa di barbabietole francesi nel 1977. Il nuovo standard, l’acido ossalico II, aveva solo una lieve differenza rispetto all’acido ossalico I in termini di contenuto di radiocarbonio. Nel corso degli anni, sono stati realizzati altri standard radiocarbonici secondari.

Viene determinata anche l’attività radiocarbonica dei materiali di riferimento, per rimuoverne il contributo dai risultati ottenuti nel corso dell’analisi di un campione. Viene misurata l’attività radiocarbonica di riferimento e i valori ottenuti vengono detratti dai risultati della datazione al radiocarbonio del campione. I campioni di riferimento analizzati sono solitamente di origine geologica ed hanno età infinita come il carbon fossile, la lignite ed il calcare.

Misurazioni per la datazione al radiocarbonio

Una misurazione radiocarbonica viene definita come età radiocarbonica convenzionale (CRA). Le convenzioni CRA includono: (a) l’utilizzo dell’emivita di Libby, (b) l’utilizzo di acido ossalico I o II, o di un appropriato standard secondario come standard radiocarbonico moderno, (c) la correzione del frazionamento isotopico del campione ad un valore normalizzato o di base del -25,0 per mille relativo al rapporto di carbonio-12/carbonio-13 nello standard del carbonato VPDB – la formazione delle belemniti del Cretaceo a Peedee nel South Carolina, Stati Uniti), (d) zero BP (Before Present) che viene identificato nel 1950 DC e (e) il presupposto che i livelli globali di radiocarbonio siano costanti.

Anche gli errori standard sono riportati nei risultati della datazione al radiocarbonio, indicati con valori “±”. Questi valori sono derivati con metodi statistici.