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La cronologia assoluta

L’età assoluta di una roccia, di uno strato o di un fossile, cioè il numero di anni che sono trascorsi dalla sua formazione, può essere determinata sfruttando la radioattività naturale. Le datazioni che si ottengono con questo metodo vengono chiamate datazioni radiometriche e permettono di affiancare alla scala dei tempi relativi una data, espressa in anni.
Per capire come funzionano i metodi di datazione radiometrica bisogna riprendere brevemente alcune nozioni di chimica. Tutti gli atomi di un elemento hanno il medesimo numero di protoni nel nucleo (numero atomico), ma possono differire per il numero di neutroni e quindi per il numero di massa. Gli atomi di uno stesso elemento che hanno un diverso numero di massa sono chiamati isotopi. Molti sono stabili e non cambiano nel tempo. Altri, invece, sono instabili (isotopi radioattivi) e si trasformano spontaneamente, spesso attraverso tappe intermedie, in isotopi stabili anche di altri elementi, con un diverso rapporto tra protoni e neutroni. Il processo, chiamato decadimento radioattivo, implica l’emissione di radiazioni.
Per definire la velocità del processo di decadimento di un qualsiasi isotopo radioattivo (isotopo capostipite) si utilizza il tempo di dimezzamento (_t1/2), che corrisponde al tempo necessario affinché una determinata quantità dell’isotopo capostipite si riduca della metà.

Le due curve mettono in evidenza le variazioni nel tempo della quantità percentuale di un isotopo radioattivo e dell’isotopo stabile finale. Inizialmente (tempo 0) in un campione è contenuto soltanto l’isotopo instabile (100%), mentre l’isotopo-figlio è assente (0%); dopo un periodo corrispondente al tempo di dimezzamento di quel particolare elemento, il 50% degli atomi dell’isotopo capostipite si sono trasformati nell’isotopo-figlio. Il campione contiene quindi una quantità pari al 50% della percentuale iniziale sia del primo isotopo sia del secondo. Dopo un periodo corrispondente a due tempi di dimezzamento, il campione esaminato contiene il 25% dell’isotopo capostipite e il 75% dell’isotopo-figlio; dopo un periodo pari a tre tempi di dimezzamento, l’isotopo capostipite è solo il 12,5% mentre l’isotopo figlio raggiunge l’87,5%.

Il tempo di dimezzamento è rigorosamente costante e caratteristico per ciascun isotopo radioattivo. Esso, inoltre, è indipendente dalla quantità di atomi inizialmente presenti. Consideriamo, per esempio, un campione che contenga 100 atomi di un isotopo capostipite A che si trasforma in un isotopo-figlio B, con un periodo di dimezzamento di 5700 anni: dopo 5700 anni saranno presenti 50 atomi di A e 50 atomi di B. Nello stesso tempo in un secondo campione, contenente 50 atomi di A si trasformeranno solo 25 nuclei.
Molte rocce contengono isotopi radioattivi, che decadono secondo il loro tempo di dimezzamento. Poiché esso non è condizionato da fattori esterni (come temperatura e pressione), il numero di atomi dell’isotopo capostipite diminuisce man mano che la roccia invecchia (mentre il numero di atomi dell’isotopofi glio aumenta), secondo un ritmo regolare e indipendente dalle condizioni ambientali. Determinando il rapporto tra nuclei dell’isotopo-fi glio e nuclei dell’isotopo capostipite, è possibile quindi stabilire l’età di un campione di roccia, o di un fossile.

Il procedimento può essere applicato a due condizioni:
• nel corso della storia della roccia, o del fossile, non devono essere sottratti o aggiunti atomi né dell’isotopo-fi glio, né dell’isotopo capostipite. Per esempio, se l’isotopo-figlio è un gas può allontanarsi facilmente dalla roccia, in tal caso la roccia sembrerà più “giovane” di quanto sia in realtà; se, invece, nella roccia è stata incorporata inizialmente una certa quantità dell’isotopo-figlio non derivata dal decadimento radioattivo, la roccia risulta più vecchia;
• il tempo di dimezzamento dell’isotopo considerato non deve essere troppo breve o troppo lungo rispetto all’età del campione che si esamina. Infatti, se l’elemento ha un tempo di dimezzamento troppo breve, la maggior parte degli atomi radioattivi sarà già stata trasformata e la radioattività residua del campione da datare sarà troppo debole per essere rilevata in modo accurato; se, invece, il tempo di dimezzamento è troppo lungo, il numero di atomi trasformati sarà basso, in proporzione agli atomi radioattivi e il conteggio risulterà difficoltoso.

I metodi radiometrici attualmente in uso sono riportati nella tabella, in cui sono illustrati i processi di decadimento, i materiali e le rocce che contengono quantità apprezzabili degli isotopi capostipite e perciò possono essere datati con i metodi radiometrici.

I metodi di datazione radiometrica hanno permesso di affiancare alla scala dei tempi relativi una scala dei tempi assoluti, ma non consentono di eliminare l’uso dei criteri paleontologici e dei princìpi stratigrafi ci per datare le rocce. Infatti, non sempre uno strato è formato da rocce databili con i sistemi radiometrici; inoltre esiste sempre un certo margine di errore, dipendente dalla difficoltà di misurare accuratamente la radioattività residua della roccia.

Il metodo del ¹⁴C viene utilizzato per datare materiali organici o fossili che non abbiano un’età superiore a 40 000-50 000 anni o inferiore a 1000 anni. Diversamente dagli altri metodi di datazione radiometrica, quando si applica questo sistema non si misura il rapporto tra l’isotopo instabile e il suo prodotto, ma soltanto la quantità residua dell’isotopo instabile.
Il carbonio naturale (utilizzato dagli esseri viventi per la costruzione delle molecole organiche) è una miscela di isotopi: i principali sono il ¹²C, isotopo stabile (utilizzato tra l’altro come riferimento per la scala delle masse atomiche) e il ¹⁴C, isotopo radioattivo che decade spontaneamente trasformandosi in ¹⁴N:

Il ¹⁴C ha un tempo di dimezzamento relativamente breve (5730 anni), ma viene continuamente prodotto nell’atmosfera, perciò la sua concentrazione in natura resta costante.
I raggi cosmici, infatti, colpendo le molecole atmosferiche producono neutroni che reagiscono con l’¹⁴N (componente normale dell’atmosfera), trasformandolo in ¹⁴C:

Il ¹⁴C e il ¹²C presenti nell’atmosfera, reagendo con l’ossigeno, formano CO2. Una piccola frazione del biossido di carbonio esistente nella nostra atmosfera è dunque radioattiva. Dal punto di vista chimico il biossido di carbonio radioattivo non differisce dal biossido di carbonio che contiene ¹²C, prodotto dagli organismi, viene assorbito insieme a questo dagli esseri viventi, in particolare dalle piante che svolgono la fotosintesi, ed entra nei cicli vitali. Una piccola parte del carbonio presente negli esseri viventi o nei gusci calcarei è, quindi, radioattiva e decade trasformandosi in ¹⁴N. Finché un organismo vive, il ¹⁴C che decade viene continuamente rimpiazzato e il rapporto tra quantità di ¹⁴C e di ¹²C resta costante, cosicché al momento della morte un qualsiasi organismo contiene nella sua materia organica un tasso di ¹⁴C e di ¹²C che rispecchia il rapporto misurato nell’atmosfera. Dopo la morte dell’organismo, invece, il ¹⁴C continua a disintegrarsi, ma non viene più sostituito da nuovo ¹⁴C assimilato. La sua percentuale, perciò, diminuisce e può essere utilizzata per datare un resto organico.
Il metodo ha permesso di raggiungere risultati importanti nella datazione dei reperti, ma è stato più volte messo in discussione. Infatti, si basa sul presupposto che il tasso di ¹⁴C sia costante nel tempo e che non vari da organismo a organismo la capacità di assimilarlo. Non si può escludere che queste due condizioni vengano talvolta a mancare.

Altri metodi di datazione assoluta

Un altro metodo di datazione radiometrica, basato su princìpi diversi, è il metodo delle tracce di fissione. In questo caso si prendono in esame i processi di fi ssione spontanea, nel corso dei quali un isotopo instabile si disgrega in due particelle. Queste hanno un’energia notevole e si muovono a velocità elevata, lasciando una traccia visibile, detta appunto traccia di fi ssione, nei cristalli che attraversano. Con l’ausilio di un microscopio ottico, si effettua il conteggio di queste piccolissime tracce, che possono essere evidenziate trattando il minerale con un acido opportuno. La densità delle tracce può essere considerata un indice dell’età del campione.

• I vegetali a fusto legnoso possono essere datati con il metodo della dendrocronologia: si contano cioè gli anelli annuali di accrescimento del fusto delle piante. Infatti, il legno di un albero si accresce anno dopo anno per l’aggiunta di strati concentrici; durante l’inverno viene depositato un anello scuro, mentre durante la primavera se ne forma uno chiaro. Ogni anno, quindi, si aggiunge un doppio anello. Contando ciascun anello si può risalire all’età del legno.

Sezione trasversale di un tronco in cui sono evidenti i doppi anelli di legno chiaro e scuro, ciascuno dei quali corrisponde a un anno di vita della pianta.

• Per effettuare la datazione assoluta di eventi accaduti negli ultimi millenni, talvolta si può ricorrere al metodo delle varve. Le varve sono strati di sedimenti che si depositano sul fondo dei laghi periglaciali, nei quali la sedimentazione segue un ritmo annuale: durante l’estate le acque di fusione dei ghiacciai sono abbondanti e trasportano sedimenti anche grossolani; nel lago quindi si deposita uno strato chiaro di sabbia e limo, in cui scarseggiano il materiale organico e le argille più fini (che restano in sospensione a causa del moto turbolento dell’acqua), mentre durante il periodo invernale il lago è ghiacciato in superfi cie e sul fondo si forma un deposito argilloso, più fi ne e scuro per l’abbondanza di sostanza organica. Le varve sono costituite da una lamina chiara e da una scura e il loro numero coincide con l’età del campione. Poiché lo spessore di ciascuna varva (che in genere non supera qualche centimetro) è infl uenzato dalle condizioni climatiche, ogni anno si depositano varve di spessori differenti. Confrontando le sequenze in laghi diversi si possono quindi stabilire correlazioni temporali.

Affioramento di sedimento lacustre in cui è evidente la resenza di varve che ne consente la datazione assoluta.