Carbonio-14

Diversamente da quanto comunemente si crede, il carbonio radioattivo non è un elemento di uso universale per la datazione dei fossili. Viene infatti impiegato solo per campioni età recente.
Prima di passare ai dettagli tecnici diamo qualche informazione sul carbonio.

Un atomo di carbonio è formato da un nucleo contenente 6 particelle con carica positiva chiamate protoni, attorno al quale si muovono 6 elettroni caricati negativamente. Ogni elemento è perciò contraddistinto da un proprio numero di protoni ed elettroni. L'azoto, ad esempio, possiede 7 protoni e 7 elettroni. All'interno del nucleo si trovano, inoltre delle particelle prive di carica elettrica dette neutroni. Gli atomi che hanno lo stesso numero di protoni e di elettroni, ma si differenziano per il numero di neutroni, si chiamano isotopi.

Il carbonio possiede 5 isotopi: il carbonio 12 (12C) con 6 protoni, 6 elettroni e 6 neutroni e il carbonio 13 (13C) con 6 protoni, 6 elettroni e 7 neutroni, sonno stabili; il carbonio 14 (14C) con 6 protoni, 6 elettroni e 8 neutroni è instabile, cioè decade trasformandosi in un altro elemento con il passare del tempo. I 10C e 11C, rispettivamente con 4 e 5 neutroni, sono molto instabili e durano rispettivamente 9 secondi e 20 minuti. Il 12C rappresenta il 98% di tutto il carbonio.

Per poter essere utilizzato, un elemento radioattivo deve rispettare le seguenti condizioni:

  • Si deve trasformare spontaneamente con una velocità nota con precisione. Questo è il tempo di dimezzamento, cioè il tempo necessario perché diventi la metà della quantità preesistente.
  • Il sistema contenente i due nuclidi (l'elemento radioattivo e quello ottenuto dal suo decadimento) deve essere rimasto chimicamente isolato per tutta la storia geologica, senza che ci sia stato alcun apporto o perdita dei due elementi.
  • L'elemento ottenuto dal decadimento radioattivo deve essere facilmente distinguibile dagli altri presenti nel sistema.
  • La quantità degli elementi radioattivi deve essere rimasta costante per tutta la storia geologica.
  • La distribuzione nell'atmosfera deve essere uniforme.

Misurando la quantità dell'elemento padre e dell'elemento figlio presenti al momento del ritrovamento del fossile e conoscendo il tempo di dimezzamento, si può risalire al momento della chiusura del sistema, ossia al momento in cui è morto l'organismo.

Entriamo ora nel dettaglio con la datazione mediante il 14C.

 

datazione

I raggi cosmici interagiscono continuamente con le molecole dell'alta atmosfera producendo neutroni (n). Essi vanno a collidere con l'azoto 14 (14N) trasformandolo i 14C con la perdita di un protone (p+).

formula di decadimento

Osserviamo che il numero delle particelle nel passaggio da una parte all'altra della reazione è rimasto costante. Alla sinistra abbiamo 14N formato da 7 protoni e 7 neutroni più un neutrone che arriva dall'esterno. Alla destra c'è 14C con 6 protoni e 8 neutroni e la liberazione di un protone.

Il 14C si combina con l'ossigeno atmosferico formando anidride carbonica radioattiva (14CO2), che viene utilizzata nel ciclo vitale degli esseri viventi insieme a quella normale. Gli organismi perciò assorbono in continuazione l'anidride carbonica radioattiva mantenendo costante la quantità di 14C all'interno delle loro strutture. Al momento della morte cessa l'accumulo di 14C.

Il 14C decade emettendo particelle ß- (elettroni) trasformandosi in 14N con un tempo di dimezzamento di 5568±30 anni. Questo significa che dopo 5570 anni il reperto contiene la metà del 14C originario, dopo altri 5570 anni ne contiene un quarto e così via. Nel 1961 è stato fissato un nuovo valore di 5730±40 anni.

formula del secondo decadimento

L'emissione di un elettrone e di un neutrino (?) può essere spiegata con la trasformazione di un neutrone in un protone.
Misurando la radioattività residua e confrontandola con quella normale presente in un essere vivente, si può risalire, mediante la seguente equazione, all'età del reperto (T).

formula dell'età

? rappresenta la costante di decadimento del 14C (5730). Ca rappresenta l'attività che il campione dovrebbe avere se fosse in vita e Cc l'attività misurata nel campione. Per attività si intende il numero di disintegrazioni al minuto.

Per riassumere con parole più semplici: ogni organismo contiene una determinata quantità di 14C che rimane costante finché è in vita. Quando l'organismo muore, comincia a diminuire il 14C perché non viene più introdotto con i processi vitali e quello presente si trasforma in 14N. Perciò, meno 14C è presente, più il fossile è antico.

Questo metodo può essere utilizzato solo per eventi geologici del Quaternario recente e cioè fino a 40.000 anni con un errore del 5% e, data la facilità d'inquinamento dei campioni, l'imprecisione della datazione può aumentare.
Un altro problema è il fatto che la quantità di 14C non è rimasta sempre costante, ma la rivoluzione industriale, le esplosioni nucleari e variazioni periodiche nella quantità di raggi cosmici, hanno reso necessarie alcune modifiche alle misurazioni sinora effettuate.

Gli isotopi del carbonio possono essere utilizzati anche per altri scopi. Poiché con i processi vitali si ha un arricchimento di 13C negli organismi, questa caratteristica può essere adoperata per riconoscere l'origine organica di un reperto.
Inoltre, esiste un diverso rapporto 13C/12C in vegetali terrestri e marini, gusci marini e d'acqua dolce. Questo fatto può essere utile per rilevamenti di tipo ambientale.