Datazione carbonio-14: cos’è e come si usa in archeologia

La fisica, ed in particolare la fisica nucleare, gioca un ruolo chiave anche in ambito archeologico. Per datare i reperti, con età non superiore ai 50.000 anni, si ricorre all’utilizzo della Datazione carbonio-14. Questa tecnica fu ideata e messa a punto tra il 1945 e il 1955 dal chimico statunitense Willard Frank Libby, il quale vinse il Premio Nobel per la chimica nel 1960. Nel corso degli anni questo tipo di datazione è approdata in ambiti come l’archeologia, la geologia, la geofisica, la scienza atmosferica, l’ oceanografia e la biomedicina.

La chimica del carbonio

Il ¹⁴C è un isotopo instabile presente in natura, che a differenza del ¹²C e ¹³C (gli altri due isotopi che si trovano in natura) rientra tra gli isotopi radioattivi. Infatti, il ¹⁴C decade seguendo il decadimento beta in ¹⁴N con un tempo di dimezzamento di 5730 anni. La struttura chimica del carbonio è composta da 6 protoni e 8 neutroni. Il ¹⁴C prodotto in atmosfera reagisce con l’ossigeno dando luogo all’anidride carbonica che viene sfruttata poi dalle piante durante la fotosintesi clorofilliana.

Il decadimento β

Il decadimento β, in fisica nucleare, è un decadimento radioattivo, tipico dei nuclei troppo ricchi di neutroni rispetto aiprotoni. Affinchè si stabilizzino è quindi necessario aumentare il loro numero di protoni. Pertanto tali nuclei decadono emettendo particelle beta, ovvero elettroni veloci. Ciò avviene poiché il neutrone, frammentandosi, da origine ad un protone, ad un elettrone ed ad un antineutrino elettronico.

I raggi cosmici

La formazione di ¹⁴C è innescata dai raggi cosmici (primari), ovvero particelle elettricamente cariche costituite principalmente da protoni ( per il 90%), nuclei di Elio (per circa il 9%) e da tutti gli altri elementi (per la restante parte), elettroni e le rispettive antiparticelle. Le sorgenti di raggi cosmici posso essere sia galattiche che extra-galattiche.

I raggi cosmici primari interagiscono con i nuclei degli atomi dell’alta atmosfera e producono molti tipi di particelle di energia molto elevata, essi sono anche detti raggi cosmici secondari. Tra questi vi sono i pioni, o mesoni π, che possiedono una massa di 139,6MeV/c2 e sono le particelle mediatrici dell’interazione forte fra nucleoni, e i muoni μ la cui massa è 105,658MeV/c2.

Datazione carbonio-14: il metodo del radiocarbonio

Per datare un campione di età sconosciuta, è possibile valutarne il contenuto residuo di carbonio-14 e confrontarlo con l’attività dell’isotopo radioattivo in campioni moderni e di riferimento. Poiché la concentrazione di ¹⁴C nell’ambiente rimane costante nel tempo e uniforme, questo metodo è affidabile. Pertanto, l’attività specifica del carbonio in un organismo vivente rimane costante fino alla morte dell’organismo, momento in cui la concentrazione di radiocarbonio inizia a diminuire in assenza di scambi con l’ambiente.

Gli standard di riferimento per la datazione carbonio-14

Un campione di riferimento moderno, comunemente utilizzato nei laboratori di datazione al radiocarbonio, è stato l’acido ossalico I, ottenuto dalle barbabietole da zucchero presso il National Institute of Standards and Technology nel Maryland, Stati Uniti. Nel 1977 è stato creato un secondo standard, l’acido ossalico II, utilizzando melassa di barbabietole francesi, che presenta solo una leggera differenza di contenuto di radiocarbonio rispetto all’acido ossalico I. Nel corso degli anni sono stati sviluppati ulteriori standard secondari.

Strumentazione impiegata

Per la misura del contenuto di radiocarbonio esistono diversi strumenti, impegnati anche in altri ambiti, come in fisica delle particelle o in fisica medica. Tra questi vi è il contatore proporzionale a gas, strumento in grado di misurare il numero di particelle beta emesse dal decadimento del radiocarbonio.

Un ulteriore strumento è il contatore a scintillazione liquida, ovvero un contatore dotato di scintillatore che produce un lampo di luce, interagendo con la particella beta, che verrà raccolto da un fotomoltiplicatore.

Infine, vi è la spettrometria di massa che impiega un acceleratore e misura il carbonio-14 in relazione alla presenza di ¹²C e di ¹³C , senza dover contare le particelle beta prodotte dal decadimento. Quest’ultimo metodo si è rivelato essere il più efficiente tra quelli elencati.

Datazione carbonio-14: il problema della calibrazione

Con il passare del tempo, è diventato evidente che era necessario apportare correzioni al metodo di datazione al radiocarbonio a causa della non costante presenza di ¹⁴C nell’atmosfera. Infatti, oltre ai raggi cosmici, diversi fattori influenzano la concentrazione di ¹⁴C, come l’attività industriale umana o i test nucleari che si sono verificati nel corso della storia.

Pertanto, per comprendere le variazioni nella concentrazione di ¹⁴C nel corso dei secoli, viene spesso utilizzato il metodo della dendrocronologia, che consiste nella misurazione del livello di accrescimento degli anelli degli alberi. Contando gli anelli e misurando la concentrazione di ¹⁴C in un determinato anello, è possibile confrontare i due metodi e correggere le misurazioni radiocarboniche.

Datazione della Sindone

La Sindone di Torino è per la tradizione cristiana il lenzuolo sepolcrale che avrebbe avvolto il corpo di Gesù dopo la crocifissione. Essa è stata negli anni passati oggetto di attenzioni da parte di scienziati e studiosi che decisero di datarla col metodo di datazione al radiocarbonio. Furono prelevati alcuni campioni dal bordo del lenzuolo, in basso a destra dell’immagine frontale.

Quei frammenti però risentivano della contaminazione di sporcizia accumulata nel corso dei secoli e della carbonizzazione dovuta al rogo del 1532 a Chambèry. I risultati stabilirono che la Sindone risaliva all’epoca medioevale, nel periodo compreso tra il 1260 e il 1390. Questa notizia suscitò non poca indignazione. Molti infatti ritennero che il metodo fosse inaffidabile o comunque non idoneo ala datazione del lenzuolo sepolcrale.

Altri metodi di datazione

Il metodo di datazione al radiocarbonio presenta però anche dei limiti, soprattutto temporali, infatti tra i metodi di datazione radiometrica per periodi di tempo più antichi sono disponibili altre tecniche tra cui la datazione al potassio-argon. Esso è stato utilizzato anche per calibrare la scala di inversione geomagnetica della polarità terrestre. Altre tecniche di datazione sono:

• La dendrocronologia, applicata in paleocologia e archeologia oltre che per calibrare la datazione al ¹⁴C.
• La termoluminescenza, che come la datazione al potassio-argon, fornisce l’età in cui il campione è stato riscaldato al di sopra della temperatura di blocco.
• La datazione con amminoacidi, utilizzata soprattutto in ambito forense, paleontologia e archeologia.

A cura di Mario Liuzzo