Metodo del carbonio-14
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Il metodo del 14C (carbonio-14), o del radiocarbonio, è un metodo di datazione radiometrica basato sulla misura delle abbondanze relative degli isotopi del carbonio.
Fu ideato e messo a punto tra il 1945 e il 1955 dal chimico statunitense Willard Frank Libby, che per questa scoperta vinse il Premio Nobel nel 1960.
Il metodo del 14C permette di datare oggetti di origine organica (resti umani o animali, legno, tessuti, eccetera) fino a tempi dell'ordine di alcune decine di migliaia di anni. È largamente utilizzato in archeologia per la datazione dei reperti.
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[modifica] Principi teorici
Il carbonio è un elemento chimico fondamentale per la vita e presente in tutte le sostanze organiche. Esso possiede tre isotopi: due stabili (12C e 13C) e uno radioattivo (14C). Quest'ultimo si trasforma per decadimento beta in azoto (14N), con un tempo di dimezzamento medio (o emivita) di 5730 anni. Di conseguenza a lungo andare scomparirebbe, se non venisse continuamente reintegrato.
La produzione di nuovo 14C avviene in natura negli strati alti della troposfera e nella stratosfera, per la cattura di neutroni termici da parte degli atomi di azoto. L'equilibrio dinamico che si instaura tra produzione e decadimento radioattivo mantiene quindi costante la concentrazione di 14C nell'atmosfera (dove è presente principalmente legato all'ossigeno sotto forma di anidride carbonica).
Tutti gli organismi viventi che fanno parte del ciclo del carbonio scambiano continuamente carbonio con l'atmosfera attraverso processi di respirazione (animali) o fotosintesi (vegetali), oppure lo assimilano nutrendosi di altri esseri viventi o sostanze organiche. Di conseguenza finché un organismo è vivo, il rapporto tra la sua concentrazione di 14C e quella degli altri due isotopi si mantiene costante e uguale a quella che si riscontra nell'atmosfera.
Dopo la morte, però, questi processi terminano e l'organismo non scambia più carbonio con l'esterno. Per effetto del decadimento, quindi, la concentrazione di 14C diminuisce in modo regolare secondo la formula:
Dove c0 è la concentrazione di 14C nell'atmosfera, Δt il tempo trascorso dalla morte dell'organismo, τ la vita media del 14C (pari al tempo di dimezzamento diviso per il logaritmo naturale di 2: 5730/ln 2 = 8267 anni).
Misurando dunque la quantità di 14C presente nei resti organici, se ne ricava l'età applicando la seguente formula:
[modifica] Metodologia
La misura del 14C si può effettuare con due metodi:
- metodo del contatore proporzionale: con un contatore Geiger o altra apparecchiatura simile si misurano gli elettroni prodotti dal decadimento del 14C nel campione. Questo è stato il primo metodo ad essere impiegato.
- metodo della spettrometria di massa (AMS, Accelerator Mass Spectrometry): utilizzando uno spettrometro di massa si misura direttamente la concentrazione di 14C presente nel campione. Questo metodo è di applicazione più recente, usato a partire dagli anni '70.
Rispetto al metodo del contatore proporzionale, il metodo AMS presenta il vantaggio di poter lavorare con campioni più piccoli (anche di pochi milligrammi) e di fornire un risultato in un tempo molto più breve (si possono misurare decine di campioni al giorno, mentre il contatore proporzionale può richiedere anche alcune settimane per un solo campione). Tuttavia presenta anche lo svantaggio di essere un metodo distruttivo: esso richiede infatti che il campione venga bruciato e ridotto in forma gassosa.
Entrambi questi metodi permettono di ottenere datazioni con un margine di errore tra il 2 e il 5% e fino ad un tempo massimo di circa 50000 anni: per campioni più antichi la concentrazione di 14C è troppo bassa per poter essere misurata con sufficiente accuratezza.
Va tenuto inoltre presente che uno degli assunti fondamentali su cui si basa il metodo del radiocarbonio, cioè che la concentrazione del 14C nell'atmosfera sia costante nel tempo, è vero solo approssimativamente: diversi fattori infatti possono influenzare la produzione di 14C nell'alta atmosfera, dalle variazioni nell'attività solare agli effetti delle eruzioni vulcaniche e, in epoca recente, all'azione dell'uomo.
Gli esperimenti nucleari condotti nella seconda metà del XX secolo hanno infatti rilasciato nell'atmosfera grandi quantità di 14C e di diversi altri isotopi radioattivi, a tal punto che la concentrazione di 14C misurata in reperti moderni è talvolta anche del 50% superiore a quella che si aveva nel 1950, data convenzionalmente scelta come riferimento. Per contro l'uso su larga scala del petrolio e dei suoi derivati ha diffuso nell'atmosfera grandi quantità di carbonio di origine fossile, vecchio di diversi milioni di anni, nel quale la concentrazione di 14C si è ridotta a zero.
È perciò stato teorizzato che il metodo del 14C non potrà essere usato in futuro per datare reperti della nostra epoca.
Le variazioni della concentrazione di 14C nel passato sono state studiate principalmente tramite la dendrocronologia: misurando la concentrazione di 14C in resti di alberi di età nota si è ottenuta una curva di calibrazione usando la quale l'età radiocarbonica di un campione (cioè l'età calcolata in base al suo contenuto di 14C) viene corretta per ottenere la presunta età effettiva. L'applicazione di questa calibrazione comporta generalmente un aumento del margine di errore della datazione.
[modifica] Problematiche
Organismi che assumono carbonio di diversa provenienza, per esempio fossile (nel qual caso si ottiene una datazione più antica) restituiscono datazioni completamente sbagliate. Ciò può accadere con il discioglimento di ghiacci antichi o di acque che portano con sé 14C fossile dagli strati del sottosuolo e che poi viene assunto dall'organismo in esame quando è ancora in vita. Anche le già citate variazioni di breve e lungo periodo della concentrazione di 14C nell'atmosfera influenzano la datazione che richiede quindi di essere calibrata tramite il confronto con la dendrocronologia.
Può accadere in archeologia, che la radiodatazione di un campione dia un risultato in disaccordo con la stratigrafia del sito nel quale esso è stato dissotterrato, o con la sua datazione determinata con metodi differenti.
In genere vanno considerate le condizioni ambientali e le caratteristiche del sito da cui si preleva il campione. Tuttavia a volte anche campioni trattati con la massima cautela danno datazioni anomale a causa di variazioni del 14C le cui cause spesso rimangono ignote non potendo ricostruire in modo assoluto le "vicissitudini biologiche" del reperto.
Ad esempio Willi Wölfli, direttore del laboratorio AMS del Politecnico di Zurigo, uno dei massimi specialisti mondiali del campo, ha riportato che per 64 campioni prelevati in siti archeologici egiziani, l'età radiocarbonica differiva da quella determinata in base alla cronologia comunemente accettata della storia egizia in media di 400 anni, e per alcuni campioni fino a 800-1200 anni sia in eccesso che in difetto [1].
Wölfli commentò questi risultati affermando che nel campo della radiodatazione "una singola data è nessuna data" e che solo in presenza di una serie sufficientemente ampia di date concordanti fra loro e con gli altri dati disponibili una cronologia ricavata con il metodo del 14C può essere ritenuta pienamente attendibile. Pareri simili sono stati espressi da altri specialisti tra i quali Robert Stuckenrath[2] e Richard Burleigh[3].
Il concetto è d'altronde ampiamente accettato in archeometria in genere, per cui una datazione, qualunque sia il metodo, è ritenuta affidabile in vari gradi a seconda della quantità di dati cronologici concordanti.
[modifica] La radiodatazione della Sindone
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Per approfondire, vedi la voce Esame del Carbonio 14 sulla Sindone. |
Il caso mediaticamente più celebre di applicazione del metodo del 14C è stato la radiodatazione della Sindone di Torino eseguito in tre laboratori da un'equipe internazionale nel 1988.
Il risultato dell'esame, secondo il quale la Sindone risale al periodo compreso tra il 1260 e il 1390, è ritenuto affidabile dalla comunità scientifica ma è stato contestato da diversi studiosi della reliquia, i quali avanzano diverse teorie: la Sindone, diversamente dalla maggioranza dei reperti archeologici, è stata lungamente esposta all'aria, custodita in condizioni ambientali diverse e in larga parte ignote, manipolata, sporcata e persino danneggiata in un incendio, tutte circostanze che avrebbero introdotto delle contaminazioni non quantificabili. Lo stesso Libby, anni prima che l'esame venisse eseguito, aveva avanzato forti perplessità sul fatto che il suo metodo potesse essere applicato alla Sindone.
Altri studiosi hanno poi avanzato ipotesi alternative per invalidare il risultato, tra le quali quella secondo cui il campione radiodatato sarebbe stato rammendato nel XVI secolo, e la "teoria della cospirazione" per la quale gli scienziati coinvolti nell'esame avrebbero sostituito i campioni.
[modifica] Note
- ^ Willi Wölfli, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 29, 1 (1987)
- ^ Robert Stuckenrath jr., Archaeology 18, 277 (1965)
- ^ Richard Burleigh, Journal of Archaeological Science 1, 68 (1974)
[modifica] Voci correlate
[modifica] Collegamento esterno
