Come si fa a datare un reperto archeologico? Durante uno scavo, quando si trovano dei materiali cosiddetti "datanti" (testi di archivio, iscrizioni, monete e altri), gli archeologi riescono già da soli a stabilire l’età precisa di un reperto. Ma quando si scavano siti molto antichi, senza la possibilità di rinvenire documenti scritti che riportano date certe, è molto complicato ottenere una datazione assoluta.
In questo caso l’archeologia si avvale di analisi chimico-fisiche, prima fra tutte la datazione al radiocarbonio (o carbonio-14), applicabile alla maggior parte dei reperti di origine organica e di età non superiore a circa 60.000 anni fa. In estrema sintesi, il radiocarbonio (14C) è un isotopo radioattivo del carbonio, ma vediamo meglio e più in dettaglio di cosa si tratta.
Cos’è il radiocarbonio e come si usa
Il carbonio-14 (14C) è un isotopo radioattivo del carbonio. Questa forma atomica del carbonio è instabile e tende a decadere a causa della struttura interna del suo nucleo. Per capire bene a cosa ci riferiamo, apriamo una breve parentesi su cosa sono gli isotopi e quali sono le loro caratteristiche.
Cosa sono gli isotopi
Gli atomi che costituiscono gli elementi chimici sono generalmente formati da un determinato numero di protoni, neutroni ed elettroni. In natura, tuttavia, esistono anche forme diverse di uno stesso elemento, chiamate isotopi: si tratta di atomi che hanno, rispetto alla configurazione standard di un elemento chimico, un diverso numero di neutroni. Gli isotopi di un elemento chimico hanno quindi lo stesso numero di protoni ed elettroni e occupano lo stesso posto nella tavola periodica degli elementi standard (non a caso "isotopo" significa "stesso luogo"), ma hanno un diverso numero di neutroni.
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In altre parole un atomo standard e il suo rispettivo isotopo, pur appartenendo allo stesso elemento, hanno proprietà chimiche uguali ma proprietà fisiche diverse dovute alla differente struttura nel nucleo. Da ciò ne derivano comportamenti diversi e diverse concentrazioni in natura.
Gli isotopi del carbonio e il carbonio-14
Ora che abbiamo visto brevemente cosa sono gli isotopi, focalizziamoci sul carbonio. In natura il carbonio ha tre isotopi:
- Carbonio dodici (12C) – quello più comune e stabile, con 6 protoni e 6 neutroni;
- Carbonio tredici (13C) – stabile, con 6 protoni, 7 neutroni;
- Carbonio quattordici (14C) – quello instabile e di nostro interesse per la datazione di reperti archeologici, con 6 protoni e 8 neutroni.
Essendo, di fatto, un atomo di carbonio a tutti gli effetti, il radiocarbonio (14C) entra a far parte del ciclo globale del carbonio, formandosi, degradandosi e trasferendosi da un sistema terrestre all'altro. Si crea continuamente nell’alta atmosfera terrestre quando i neutroni dei raggi cosmici colpiscono gli atomi di azoto (14N) e, una volta generato, si ossida a formare anidride carbonica.
Questo significa che il radiocarbonio viene costantemente assorbito dagli organismi tramite la fotosintesi, la respirazione e l'alimentazione mentre sono in vita. Tuttavia, quando gli organismi muoiono, gli scambi attivi con l’ambiente cessano e la concentrazione di radiocarbonio inizia a diminuire: questo fenomeno si chiama decadimento radioattivo ed è direttamente collegato all'instabilità del nucleo atomico.
Ogni isotopo radioattivo è caratterizzato da un tempo di dimezzamento, cioè il tempo dopo il quale il numero di atomi radioattivi si dimezza. Convenzionalmente il tempo di dimezzamento del radiocarbonio è di 5.730 anni: ciò vuol dire che la quantità di atomi di 14C inizierà a diminuire non appena l'organismo morirà e si dimezzerà ogni 5.730 anni.
Facciamo un esempio ipotetico con dei numeri, così da capirlo ancor meglio: se, per assurdo, un faraone al momento della sua morte possedeva 64 atomi di carbonio 14, dopo 5.730 anni i resti organici del suo cadavere ne presenteranno 32 (64:2), dopo 11.460 anni 16 (32:2) e così via.
Il metodo di datazione al radiocarbonio
Il metodo di datazione al radiocarbonio è progettato per misurare la quantità residua di atomi di 14C in un campione organico e in questo modo calcolare quanto tempo è trascorso dalla sua morte. Per poter calcolare la cosiddetta radioattività residua è stato necessario avere un termine di confronto, cioè un valore di riferimento calcolato su un campione di epoca moderna. Questo valore è stato calcolato il 1 gennaio 1950 dal National Institute of Standards and Technology del Maryland (USA) su un campione di barbabietole da zucchero.
Un’altra convenzione riguarda il tempo di dimezzamento che è stato calcolato a 5568 ± 30 anni. Ciò vuole dire che per calcolare la quantità residua di radiocarbonio presente in un campione è necessario confrontare il valore del campione con quello presente nelle barbabietole del 1950 e calcolare quante volte questo valore si è dimezzato usando come tempo di riferimento 5568 ± 30 anni.
Cos’è la calibrazione e perché si usa
Il metodo di datazione al radiocarbonio ha subito una serie di correzioni che si sono rese necessarie quando gli scienziati hanno capito che la quantità di 14C nell’atmosfera non è costante. Questa può essere influenzata da fattori cosmici oppure dall’attività dell’uomo, come accaduto con la Rivoluzione Industriale e con gli esperimenti nucleari.
Durante gli anni della Rivoluzione Industriale, infatti, è stata immessa nell’atmosfera molta anidride carbonica fossile, che ha diluito il 14C atmosferico rendendo falsamente più antichi i reperti (questo si definisce old wood effect). Di contro, gli esperimenti di ordigni nucleari hanno aumentato la quantità di 14C presente nell’atmosfera, rendendo falsamente più recenti i reperti (questo si definisce bomb peak).
Di conseguenza, il valore di riferimento calcolato nel 1950, cioè dopo le attività condotte dall’uomo degli ultimi due secoli, si è rivelato impreciso. Gli scienziati hanno dovuto trovare un sistema per correggere, o meglio “calibrare”, le datazioni, cercando di ricostruire come è cambiata nel corso dei secoli la concentrazione di 14C nell’atmosfera. Il metodo di calibrazione più usato è la dendrocronologia, che si basa sulla datazione degli anelli di accrescimento degli alberi.
Per ottenere la calibrazione si effettuano i seguenti passaggi: si determina l’età di un anello tramite dendrocronologia, cioè contando i vari anelli a partire da quelli esterni più recenti; si misura la concentrazione di 14C nell’anello interessato; infine si corregge la misura al 14C per il decadimento radioattivo dell’anno di crescita dell’anello.
Datazioni col radiocarbonio: storia del metodo
Il metodo di datazione al radiocarbonio fu proposto nel 1947 dal chimico statunitense Willard Frank Libby, professore presso le Università di Chicago e della California. A lui si deve il merito di avere intuito che è possibile datare qualsiasi materiale di origine organica, cioè i resti di qualsiasi cosa che un tempo è stata viva (piante, animali, batteri, virus ecc.) grazie al radiocarbonio. Nel muovere i suoi primi passi, la sperimentazione sul radiocarbonio ha utilizzato campioni prelevati da monumenti e reperti egizi di età note così da verificare, confrontando i risultati, la validità e l'affidabilità del metodo.
Fu proprio nel 1960, con il conferimento del Premio Nobel per la chimica proprio a W. Libby, che si sancì il riconoscimento universale della validità della sua intuizione.
Da qui in poi nel corso dei decenni successivi questa tecnica di datazione è stata perfezionata sempre più e attualmente è la più utilizzata dagli archeologi di tutto il mondo.
Pro e contro e applicazioni in archeologia
Il metodo di datazione al radiocarbonio ha trovato un’ampia applicazione in archeologia innanzitutto per la disponibilità di campioni databili. Tutti i materiali organici possono essere datati, cioè la grande maggioranza dei reperti: carbone, legno, semi, ossa, conchiglie, coralli, vasellame, polline, tessuti, resine.
Se pure largamente usato, questo metodo non è però applicabile a tutti i contesti archeologici: è possibile datare organismi morti non oltre 60.000 anni fa. Per reperti più antichi, che hanno concentrazioni di 14C troppo basse per essere rilevate, gli archeologi possono comunque contare su altre tecniche scientifiche che usano isotopi con tempi di dimezzamento più lunghi.
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