Furono Martin Kamen e Sam Ruben a scoprire il 27 febbraio del 1940 il carbonio-14, l’isotopo che rivoluzionò la datazione archeologica dei reperti organici. Nessun’altra scoperta scientifica, infatti, come la datazione al radiocarbonio, di cui fu artefice Willard Frank Libby che vinse per questo il Nobel nel 1960, ha rivoluzionato la comprensione dell’uomo in modo così radicale.
Nei prossimi paragrafi potrete leggere l’origine della scoperta del carbonio-14 e l’evoluzione della datazione al radiocarbonio ma anche comprendere in che modo essa avvenga e per cosa venga utilizzata.
La scoperta del carbonio-14 del 27 febbraio 1940
L’obiettivo della ricerca di Martin Kamen e Sam Ruben era quello di studiare il movimento del carbonio nella fotosintesi; e per riuscire nello scopo i due ricercatori dell’Università di Berkeley volevano utilizzare uno degli isotopi proprio del carbonio, cioè atomi di questo elemento che presentavano un numero di neutroni nel nucleo diverso da sei, in particolare il carbonio-11.
Tuttavia, la scelta presentava delle difficoltà perché il carbonio-11 è particolarmente difficile da tracciare in quanto nella sua forma stabile resiste appena 21 minuti.
Nonostante i loro tentativi li avessero portati a perdere molte delle iniziali speranze, la mattina del 27 febbraio del 1940 si trovarono ad analizzare i dati relativi a cinque giorni di esperimenti effettuati con il ciclotrone alla ricerca di questo isotopo, lanciando particelle di deutone (il nucleo del deuterio) contro un piccolo campione di grafite.
Per i loro esperimenti, infatti, i due scienziati avevano usato una particolare macchina, chiamata “ciclotrone”, quella che oggi viene più frequentemente definita acceleratore di particelle. Con questa, dunque, irradiarono pezzi di grafite e furono in grado di isolarne l’isotopo e cambiare per sempre la nostra comprensione della vita. Kamen e Ruben trovarono finalmente qualcosa per cui era possibile finalmente rallegrarsi: un nuovo isotopo del carbonio composto da 6 protoni e 8 neutroni, appunto il carbonio-14.
A evidenziare la presenza di questo atomo fu l’energia emessa, infatti, si tratta di un isotopo radioattivo che decade, cioè si trasforma nel tempo, in un altro elemento: l’azoto 14, emettendo nel procedimento energia. Il vantaggio della scoperta di questo atomo era anche il fatto che si trattasse di un elemento molto più stabile del carbonio-11, la cui emivita (cioè il tempo di decadimento di metà della massa iniziale) è di circa 5 mila anni.
I due ricercatori si poterono concentrare sulla loro scoperta solamente per due anni, in quanto l’entrata in campo degli Stati Uniti nel secondo conflitto mondiale portò i due a intraprendere altri campi di ricerca più utili allo sforzo bellico.
Kamen, infatti, fu inviato a partecipare al celebre Progetto Manhattan, da cui fu escluso dopo poco perché sospettato di essere una spia al soldo del Kgb. Solo alla fine degli anni ’50 riuscì a liberarsi dalle accuse e riabilitare la sua reputazione. Ruben invece iniziò a studiare le proprietà di un gas velenoso proprio realizzato con il carbonio-11, il fosfene, per il quale perì proprio in un incidente di laboratorio.
Lo studio del carbonio-14
A portare avanti la scoperta dei due studiosi fu, negli anni ’50, un chimico dell’Università di Chicago, Willard Frank Libby. Egli calcolò con precisione il tempo di emivita del carbonio-14 e scoprì che era di 5.568 anni ( 30) e fu proprio lui a teorizzare che analizzando il contenuto di questo isotopo all’interno di un reperto di origine organica non più antico di 60.000 anni fosse possibile ricostruirne la sua datazione.
Libby mise poi a punto una tecnica che fu un grado di datare una nave risalente all’antico Egitto e che oggi conosciamo come datazione al radiocarbonio. Con questa ulteriore scoperta lo scienziato vinse il premio Nobel per la Chimica nel 1960 e rivoluzionò la datazione in archeologia.
Come avviene la datazione al carbonio-14
Ogni elemento che vive sulla terra è fatto di carbonio; l’atmosfera ha anidride carbonica che è parte del processo della fotosintesi, dove, come è noto, viene utilizzata dalle piante per produrre ossigeno; quindi, per comprendere qualunque elemento collegato alla biologia si deve partire dal carbonio.
Il carbonio-14 si forma continuamente nell’alta atmosfera per effetto dei raggi cosmici sugli atomi di azoto-14, poi si ossida rapidamente per formare l’anidride carbonica ed entrare infine nel ciclo globale del carbonio. Quindi piante e animali nel corso della loro vita assimilano il carbonio-14 proprio dall’anidride carbonica.
Nel momento in cui periscono lo scambio di carbonio con la biosfera termina e il quantitativo di carbonio-14 inizia a diminuire secondo un tasso determinato dalla legge del decadimento radioattivo.
È possibile calcolare l’età di qualunque campione di materiale organico (dalle ossa al legno, da una mummia alla Sacra Sindone) analizzando quindi il rapporto tra le particelle presenti di carbonio-12 e quelle di carbonio-14.
Il limite del carbonio-14 è che non può datare campioni che superino i 55 mila anni, in quanto oltre questo limite non è più presente. La datazione al radiocarbonio misura quindi la radioattività residua.
Il carbonio-14 è dunque un cronometro isotopico e i tre principali metodi di datazione al radiocarbonio sono il conteggio proporzionale a gas, il conteggio a scintillazione liquida e la spettrometria di massa con acceleratore.
A poter essere datati sono tutti i composti organici come carbone, legno, semi, ossa, conchiglie, coralli, cuoio, fango, terreno, capelli, peli, residui di sangue, vasellame, polline, pitture murali, tessuti, carta, pergamena, resina e molti altri. È possibile datare anche alcuni materiali inorganici come l’argonite.
La tecnica di datazione al radiocarbonio ha avuto un impatto decisivo sulla vita dell’uomo moderno ed è stata indubbiamente una delle scoperte più significative del 20° secolo, poiché nessun altro metodo scientifico ha rivoluzionato più di questo la comprensione dell’uomo e del suo passato, persino quello antico di decine di migliaia di anni.
A trarre beneficio dalla scoperta del carbonio-14, tuttavia, non è stata solo l’archeologia ma anche altre scienze come le scienze climatiche perché il radiocarbonio ci aiuta anche a studiare i cambiamenti climatici, ad esempio la velocità con cui si ritira un ghiacciaio può essere scoperta grazie a questo metodo, misurando la parte di terrendo che prima era coperta dal ghiacciaio e che è entrata in contatto con l’atmosfera.
Infine, altre scienze utilizzano la datazione al carbonio-14 come la paleoclimatologia, la geologia, l’idrologia, la geofisica, l’oceanografia, e la biomedicina.
