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Datazione al carbonio-14

Che cos’è il radiocarbonio?

La datazione al radiocarbonio è un metodo di ciò che è noto come “Incontri assoluti”.

Nonostante il nome, non fornisce una data assoluta di materiale organico, ma un’età approssimativa, generalmente entro un intervallo di qualche anno in entrambi i modi.

L’altro metodo è “Datazione relativa” che fornisce un ordine di eventi senza dare un’età esatta: tipicamente la tipologia di manufatto o lo studio della sequenza dell’evoluzione dei fossili.

Esistono tre isotopi di carbonio che si verificano come parte dei processi naturali della Terra; questi sono carbon-12, carbon-13 e carbon-14.

La natura instabile del carbonio 14 (con un’emivita precisa che lo rende facile da misurare) significa che è l’ideale come metodo di datazione assoluto.

Gli altri due isotopi a confronto sono più comuni del carbonio-14 nell’atmosfera ma aumentano con la combustione di combustibili fossili che li rende meno affidabili per lo studio; aumenta anche il carbonio-14, ma la sua rarità relativa significa che il suo aumento è trascurabile.

L’emivita dell’isotopo 14 C è di 5.730 anni, aggiustata rispetto ai 5.568 anni calcolati originariamente negli anni ’40; il limite superiore di datazione è nella regione di 55-60.000 anni, dopo di che la quantità di 14 C è trascurabile.

Dopo questo punto, è possibile utilizzare altri metodi di incontri assoluti.

Oggi, il metodo di datazione al radiocarbonio-14 è ampiamente utilizzato nelle scienze ambientali e nelle scienze umane come l’archeologia e l’antropologia.

Ha anche alcune applicazioni in geologia; la sua importanza nella datazione di materiali organici non può essere abbastanza sottovalutata.

La datazione al radiocarbonio può essere utilizzata solo su materiali organici :

  • Legna e carbone
  • Semi, spore e polline
  • Residui di ossa, cuoio, capelli, pelliccia, corno e sangue
  • Torba, fango e terra
  • Conchiglie, corallo e chitina
  • Ceramiche (dove vi sono residui organici)
  • Pitture murali (di solito contengono materiale organico come frutta e insetti schiacciati)
  • Carta e pergamena

L’elenco sopra non è esaustivo; la maggior parte del materiale organico è adatto fintanto che ha un’età sufficiente e non si è mineralizzata – le ossa di dinosauro sono fuori uso perché non hanno più carbonio.

Pietra e metallo non possono essere datati ma la ceramica può essere datata attraverso residui sopravvissuti come particelle di cibo o vernice che utilizza materiale organico .

Storia della datazione al radiocarbonio-14

Il metodo si è sviluppato negli anni ’40 ed è stato un innovativo pezzo di ricerca che avrebbe cambiato per sempre i metodi di datazione.

Un team di ricercatori guidato da Willard F. Libby ha calcolato il tasso di decadimento radioattivo dell’isotopo 14 C  nella polvere di nerofumo.

Come test, il team ha prelevato campioni di legno di acacia da due faraoni egiziani e li ha datati; i risultati tornarono a quella che era allora un intervallo ragionevole: 2800 a.C. +/- 250 anni, mentre le precedenti date indipendenti (in gran parte i registri di dendrocronologia) erano 2625 +/- 75 anni.

Gli archeologi avevano usato i metodi di datazione relativa per calcolare i loro regni. Sebbene i loro calcoli iniziali fossero leggermente errati grazie ai contaminanti di numerosi test nucleari dell’epoca, gli scienziati scoprirono presto l’errore e svilupparono metodi più accurati, inclusa una data di calibrazione fino al 1950.

Questo nuovo metodo si basava su gas e scintillazione liquida il conteggio e questi metodi sono ancora usati oggi, essendo stato dimostrato come più accurato del metodo originale di Libby .

Willard Libby avrebbe ricevuto un premio Nobel per la chimica nel 1960.

Il prossimo grande passo nel metodo di datazione al radiocarbonio sarebbe la spettrometria di massa accelerata (SMA) che è stata sviluppata alla fine degli anni ’80 e ha pubblicato i suoi primi risultati nel 1994 .

Questo è stato un grande passo avanti in quanto ha offerto date molto più accurate per un campione molto più piccolo.

Ciò ha reso la distruzione dei campioni un problema molto meno delicato per i ricercatori, in particolare su manufatti come la Sindone di Torino per i quali ora erano possibili date precise senza danneggiare una parte significativa del manufatto.

AMS conta la quantità di 14 C in un campione piuttosto che attendere il decadimento dell’isotopo; questo significa anche letture di maggiore precisione per le date precedenti.

Come funziona

L’ isotopo 14 C si forma costantemente nell’atmosfera superiore grazie agli effetti dei raggi cosmici sugli atomi di azoto-14.

È ossidato rapidamente e assorbito in grande quantità da tutti gli organismi viventi – animali e piante, terra e oceano che vivono allo stesso modo.

Quando un organismo muore, smette di assorbire l’isotopo radioattivo e inizia immediatamente a decadere . Come accennato in precedenza, l’emivita dell’isotopo 14 ° C è di 5.730 anni – ciò significa che sono necessari 5.730 anni per raggiungere metà della radioattività che l’organismo aveva in punto di morte, altri 5.730 anni per raggiungere il 25% di radioattività che aveva al punto di morte e così via.

La datazione al radiocarbonio è semplicemente una misura del livello di isotopo 14 C all’interno dei resti organici. Non è così chiaro come sembra che la quantità di 14 C isotopi nell’atmosfera può variare. Questo è il motivo per cui è richiesta la calibrazione contro oggetti la cui età è nota .

SMA  funziona in modo leggermente diverso; converte gli atomi del campione in ioni in rapido movimento in modo che diventino atomi carichi.

Applicando campi magnetici ed elettrici, viene misurata la massa di questi ioni e l’acceleratore viene utilizzato per rimuovere gli ioni che potrebbero contaminare la datazione.

Il campione attraversa diversi acceleratori per rimuovere il maggior numero possibile di atomi fino a quando i 14 ° C e circa 12 ° C e 13 ° C passano nel rivelatore. Questi ultimi atomi sono usati come parte del processo di calibrazione per misurare il numero relativo di isotopi.

Come viene calibrata una data?

Quando l’emivita fu corretta nel 1950, l’anno fu preso come una data base da cui calcolare tutte le date risultanti. Pertanto, qualsiasi espressione di “prima del presente” significherà “prima del 1950”.

Si presume che la proporzione di 14 ° C atmosferica sia la stessa oggi rispetto al 1950  e che l’emivita rimanga la stessa.

Se un livello di radioattività ritorna come metà di quanto ci si sarebbe aspettato se l’organismo fosse morto nel 1950, si presume che sia stato 5.730 anni prima del 1950.

Ciò non significa che abbiamo un anno preciso di 3780 a.C., significa che allora necessità di calibrare attraverso altri metodi che ci mostreranno come sono cambiate le concentrazioni atmosferiche dell’isotopo 14 ° C, il più delle volte attraverso i registri di dendrocronologia (dati relativi agli anelli degli alberi).

Alberi molto vecchi come il pino nordamericano di Bristlecone sono ideali per costruire registrazioni lunghe e accurate dello stato dell’atmosfera.

Ciò consente ai ricercatori di tenere conto delle variazioni confrontando i record noti di 14 livelli C nel record dell’albero, cercando un record dell’albero che abbia la stessa proporzione di radiocarbonio.

La natura sovrapposta dei record degli alberi significa che questo è il record più accurato che abbiamo.

Ovviamente ci saranno diversi possibili anni di calendario all’interno dell’intervallo previsto, motivo per cui le date del radiocarbonio hanno una variazione, ad esempio +/- 25 anni.

L’archeologia è stata una delle prime e rimane la principale disciplina per usare la datazione al radiocarbonio ed è per questo che molti entrano in laboratorio combinando chimica e studi archeologici. Ha un impatto maggiore sulla nostra comprensione del passato umano che in qualsiasi altro campo.

La datazione al radiocarbonio è profondamente utile in archeologia, specialmente sin dagli albori del metodo AMS ancora più accurato, quando si potevano ottenere date più accurate per campioni di dimensioni inferiori.

Un buon esempio è un pezzo critico di ricerca sulla dieta delle fragili colonie vichinghe della Groenlandia per esempio; lo studio ha esaminato non solo le date del 14 ° C delle persone nelle tombe, ma ha anche esaminato la loro dieta esaminando gli stessi isotopi del carbonio.

Lo studio ha concluso le date che erano già sospettate ma non confermate: che la colonia fu occupata tra la fine del X secolo e l’inizio del XII secolo. Il radiocarbonio AMS è stato utilizzato anche per calcolare quando gli ultimi vichinghi sono partiti dalla Groenlandia.

Si è discusso molto sull’età della Sindone di Torino. È diventata una reliquia importante per molti cattolici. Il dibattito ha imperversato per i decenni successivi alla sua scoperta.

Gli esperti hanno sottolineato il suo design medievale,la rappresentazione di Cristo e molti altri fattori chiave che lo segnano come nella regione di 700 anni.

Non è stato fino al 1988, e diversi test successivi da allora, che questo è stato confermato ; è ora l’esempio più noto del successo del metodo SMA in quanto sono stati effettuati innumerevoli test e confermato le date.

Una parte significativa della Sindone sarebbe stata distrutta usando il metodo precedente. Il documento per lo studio del 1988 è disponibile online. Ogni test successivo è tornato con le date della metà del 14 ° secolo.

L’archeologia del paesaggio è un ponte tra archeologia e scienze ambientali sebbene molti la considerino una scienza ambientale a sé stante. È lo studio di come le persone nel passato hanno sfruttato e cambiato l’ambiente circostante.

In genere, ciò comporterà l’esame di spore e pollini per esaminare quando la terra fu liberata da macchia e alberi durante la rivoluzione neolitica per far posto alle colture.

Si avvale inoltre di fitoliti(sono deposizioni di silice amorfa nelle cellule vegetali), resti entomologici, GIS (mappatura digitale), campionamento del suolo, analisi ossee, radar penetranti nel terreno, studi cartografici e altri dati documentari.

È stato fondamentale, soprattutto in Europa, dimostrare come i paesaggi siano reliquie e monumenti in sé e siano degni di studio in quanto tali.

Tornando all’esempio dei vichinghi in Groenlandia sopra, lo studio e la datazione estesi dei resti faunistici mostrano distinti cambiamenti che furono fatti dai vichinghi.

Gli studi mostrano la data approssimativa di arrivo del bestiame e delle colture europee  e quando questi alla fine sono scomparsi dal registro .

Studi come questo sono fondamentali per determinare non solo come l’ambiente è cambiato grazie alla manipolazione umana, ma anche ai cambiamenti naturali dovuti alle fluttuazioni dell’ambiente e del clima.

Gli usi pratici della datazione al radiocarbonio nella scienza del clima coprono esempi simili agli esempi archeologici visti sopra (cambiamenti nella fauna e nella vegetazione per esempio) ma è fondamentale anche in altre aree .

Più criticamente, viene utilizzato quando si studia la data del nucleo di ghiaccio nel determinare la composizione del clima del passato.

Molte centinaia di campioni di ghiaccio sono stati prelevati in Antartide e questo è fondamentale per capire come stiamo cambiando il clima oggi e come potrebbe cambiare in futuro quando si tiene conto delle fluttuazioni del carbonio atmosferico .

Tuttavia, ci sono complicazioni e i ricercatori controllano i record di ghiaccio noti rispetto a eventuali nuovi campioni, prendendo in considerazione le date di ghiaccio note nel factoring nel loro margine di errore. Composizione atmosferica, quantità di copertura di ghiaccio in un dato momento … tutti questi fattori sono importanti per esaminare i climi passati .

Gli studi fitolitici (resti di piante fossilizzate), l’entomologia (studio degli insetti) e gli studi precedentemente citati su polline e spore possono non solo mostrare come è cambiato un ambiente e cosa lo ha causato (ingegneria umana o cambiamento ambientale), ma anche quando i cambiamenti  si è verificato.

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