Il Carbonio 14 e le datazioni...

Di Micaela Bonito.

In che modo la storia è collegata alla fisica? Come l'archeologia, la storia dell'arte utilizzano conoscenze fisiche? Di seguito un approfondimento che spiega questi legami

Percorso di approfondimento:
Fisica e datazioni: “Il Carbonio 14 e le datazioni…Come la storia si avvale degli strumenti della fisica”

Ambito:
Fisica applicata

Materie coinvolte:
Fisica, Storia, Storia dell’arte

Punto di partenza dell’approfondimento:
Come è possibile utilizzare le conoscenze fisiche nella storia, l’archeologia e la storia dell’arte?

Suggerimenti per ulteriori approfondimenti bibliografici:
- AA.VV.,”Le vie della preistoria. Dalla disputa sulle origini alla nuova archeologia. Immagini e rappresentazioni delle prime società.”
- C. Brandi, “Teoria del restauro”

Percorso di approfondimento:
Questo percorso di approfondimento vuole mostrare come alcune discipline, considerate molto diverse fra loro, possano avvalersi di “strumenti” sviluppati dalla Fisica (ma anche, in maniera più generale, da tutte le scienze matematiche, fisiche e naturali).
Un esempio di questa interazione fra diverse discipline è l’”archeometria”.
La parola archeometria significa “misura ciò ch'è antico”; essa si occupa dello studio scientifico con analisi di laboratorio dei materiali di cui i beni di interesse storico, archeologico, artistico e architettonico sono costituiti e dei contesti naturali in cui tali beni si sono ritrovati nel tempo.
L'archeometria comprende oggi le discipline, le tecniche ed i metodi atti ad estrarre dai reperti, dai manufatti e dai contesti archeologici (scavo stratigrafico) molte informazioni necessarie per una più completa lettura storica dell'oggetto, del monumento, della testimonianza archeologica, anche al fine di migliorarne la conservazione e progettarne il restauro.
Si può dire che l'archeometria ha come scopo lo studio delle tracce lasciate da eventi avvenuti nel passato per ottenere una migliore ricostruzione o interpretazione dei fatti o delle conoscenze presenti relative ad un reperto storico o preistorico.
La nascita dell'archeometria si ha, a partire dagli anni 40 e 50 del secolo scorso, con lo sviluppo del metodo del Radiocarbonio, che ha dato un fondamentale contributo all'archeologia.
Da allora molti sono stati gli sviluppi di questa disciplina nata come scienza della misura del tempo.
In questo primo capitolo riporteremo un rapido excursus sui vari metodi di datazione con particolare riguardo ad alcuni metodi più propriamente legati alla fisica.

Un esempio di applicazione: la “new archeology”:
A partire dal secondo dopoguerra la ricerca archeologica si è avvalsa in modo sempre più marcato di metodi e tecniche mutuati dalle scienze fisiche, matematiche e naturali (le 'scienze ausiliarie').
Una delle principali applicazioni consistette nell'ottenere date numeriche per i materiali archeologici sfruttando principalmente le tecniche del radiocarbonio e della termoluminescenza le quali richiedono attrezzature e competenze nel campo della fisica e geochimica e costituiscono una disciplina a sé, denominata archeometria, ancora in fase di rapido sviluppo.
È soprattutto dalla archeologia preistorica e dall'archeologia medievale che venne una più pressante domanda di strumenti naturalistici per ricostruire la storia di quelle popolazioni di cui nulla si era conservato se non le tracce della cultura materiale consistenti nei resti degli arredi domestici, degli attrezzi di lavoro e di caccia, delle strutture abitative. In questo quadro notevole impulso ebbero gli studi di archeobiologia e archeozoologia, volti alla ricostruzione delle risorse alimentari e degli ambienti vegetazionali e delle faune connesse ai siti archeologici. A partire dagli anni '60, ad opera di questo nuovo tipo di archeologia, detta 'New Archaeology', venne posto un rinnovato interesse al contesto ambientale dei siti archeologici ed alle sottodiscipline sopra ricordate si affiancò anche la geoarcheologia, specificamente dedicata allo studio del contesto geologico dei siti archeologici.

- Il metodo del Carbonio 14:
Il metodo del carbonio 14, chiamato anche metodo del radiocarbonio, è un metodo di datazione di materiali di origine organica. Il metodo è largamente utilizzato in archeologia.
Esso si utilizza per reperti di origine organica poiché il carbonio è un elemento che fa parte di tutta la materia vivente e si trova in natura ad esempio sotto forma dei suoi isotopi stabili, il carbonio 12 ed il carbonio 13.
Un altro suo isotopo, appunto il carbonio 14, è instabile per decadimento beta tramite il quale si trasforma in azoto 14, con una vita di 5700 anni circa.

Principi fisici del metodo

L’intuizione del metodo di datazione del Carbonio 14 è dovuta a W. Libby che, per questa scoperta ricevette il premio Nobel nel 1960.
Il metodo, nella sua completezza, fu sviluppato nel corso degli anni seguenti grazie all’apporto di numerosi esperimenti.
Il carbonio è presente nell’atmosfera terrestre in composti (come CO, CO2, ecc); inoltre si trova nell’idrosfera attraverso la CO2 in soluzione e in ioni bicarbonico (

) e carbonico (

).
Il carbonio è, infine, il costituente fondamentale di ogni sostanza organica e, quindi, di tutti gli organismi viventi.
Il carbonio, in natura, è presente in tre isotopi: 12C, 13C, 14C. Di questi, solo l’ultimo è radioattivo, mentre gli altri sono stabili.
Le loro percentuali di distribuzione in natura sono fortemente disomogenee:
12C 98,89%
13C 1,11%
14C 1,2 * 10-10%

Quest’ultimo si forma da un processo di reazione tra i neutroni termici, che sono i prodotti secondari dei raggi cosmici provenienti dall’ambiente extraterrestre e i nuclidi di 14N:

dove n indica i neutroni termici,

gli atomi di azoto, p i protoni.
Il 14C così prodotto, reagisce con le molecole di ossigeno formando 14CO2 che si mescola con quella già presente in atmosfera e, diffondendo verso la bassa atmosfera, viene assorbita dalla biosfera e dall’idrosfera. Il processo di assimilazione è diretto per le piante, poiché avviene attraverso la fotosintesi clorofilliana, ed è indiretto per gli organismi che si nutrono di esse.
Inoltre la 14CO2 entra a far parte degli oceani come carbonato disciolto che viene utilizzato dagli esseri viventi nella formazione di conchiglie e nei depositi calcarei.

Essendo il 14C un isotopo instabile, decade secondo la reazione governata dalle interazioni deboli.
Ogni organismo, finché in vita, rimane in equilibrio con l’ambiente esterno scambiando 14C con il serbatoio cui appartiene. Dal momento della morte, cessano gli scambi col serbatoio e quindi viene meno l’assorbimento di 14C.
Perciò, la concentrazione di radiocarbonio nell’organismo, diminuirà secondo la legge di decadimento:

dove C0 è la concentrazione di 14C durante la vita e al momento della morte, t è il tempo trascorso dalla morte, C(t) la concentrazione di radiocarbonio all’istante t, t è la vita media della specie radioattiva che nel nostro caso vale t = 8267anni.

L’andamento è rappresentato in figura (il grafico mostra la curva tipica di un decadimento radioattivo).

Dalla precedente relazione, assumendo che C0 e t siano noti e misurando C(t) si ricava

.Quest’ultima, deve essere corretta tenendo conto di alcuni fattori che contribuiscono alla variazione di C0 che sono:

  • frazionamento isotopico del carbonio;
  • perturbazioni antropogeniche;
  • fluttuazioni secolari del 14C nell’atmosfera.

Il frazionamento isotopico è dovuto a processi chimico fisici per i quali, nel passaggio da un composto all’altro, si verifica una partecipazione preferenziale per alcuni isotopi del medesimo elemento.
Anche il carbonio risente del frazionamento isotopico: infatti, nei processi di fotosintesi clorofilliana, viene preferibilmente scambiato l’isotopo più leggero, ovvero il 12C.

Ciò implica che, nelle piante, la quantità14C/ 12C è minore di quello presente in atmosfera.
Si dovrebbe, quindi, correggere questo effetto studiando tale rapporto.
Tuttavia questo non è facile da misurare in quanto esistono delle apparecchiature, chiamate spettrometri di massa, che non hanno una sensibilità sufficiente.
Nel 1954, Craig dimostrò che esiste una relazione tra questo rapporto e quello relativo alla concentrazione di 13C:

essendo K una costante di proporzionalità.
Le perturbazioni antropogeniche della concentrazione di 14C nell’atmosfera sono sostanzialmente dovuti a due effetti:

  • effetto Suess
  • effetto bomba atomica

Il primo effetto venne osservato da Suess nel 1955 misurando l’attività di radiocarbonio di alberi cresciuti nel 1950. Egli scoprì che la loro attività era minore di quella di alberi cresciuti nel XIX secolo.
Si ipotizzò che questa diminuzione di attività fosse dovuta alla rivoluzione industriale a partire dalla quale sono state immesse in atmosfera grosse quantità di CO2 provenienti dalla combustione del carbon fossile e del petrolio derivanti da sostanze organiche caratterizzate da un’età talmente elevata da non contenere più14C.
Il secondo effetto, invece, dovuto ai vari test atomici che nel corso degli anni ’50 venivano effettuati sulla superficie terrestre, contribuisce ad arricchire la percentuale di 14C in atmosfera. Infatti, queste esplosioni liberano una grande quantità di neutroni che, reagendo con 14N, danno luogo alla reazione di formazione del radiocarbonio.
Si è calcolato che l’entità dell’effetto Suess è pari circa al 2%; teoricamente questo effetto è presente anche oggi, ma, è molto minore dell’effetto bomba atomica.

Le fluttuazioni, o variazioni secolari, di 14C vennero evidenziate da De Vries. Egli, infatti, scoprì che la concentrazione di radiocarbonio nel 1700 e nel 1500 era stata del 2% più alta di quella del XIX secolo.
Studi successivi evidenziarono alcune possibili cause di questa variazione tra cui:

  • variazione dell’intensità del campo magnetico
  • modulazione del flusso dei raggi cosmici dovuta all’effetto dell’attività solare
  • variazioni climatiche.

ancora verificato se l’attività solare produca queste variazioni che, a loro volta, influenzano le concentrazioni di 14C o se il Sole influenzi direttamente dette concentrazioni, senza passare per le variazioni climatiche. L’indicatore di variazione della concentrazione di 14C nel tempo è detto Δ14C:

.
In questa formula Atm è l’attività della riserva, corretta per il frazionamento isotopico, e Aom è l’attività per uno standard..
Tener conto di queste correzioni non è, però, sufficiente poiché l’età del reperto non può considerarsi assoluta; è necessario calibrarla.
Sono stati individuati dei materiali che conservano traccia della concentrazione di 14C nell’atmosfera dei quali è nota l’età.
Per questo motivo è risultato utile ricorrere alla dendrocronologia, ovvero alla tecnica di datazione che si basa sul conteggio degli anelli di accrescimento dei tronchi degli alberi.
In tal modo si è entrati in possesso di una curva di calibrazione per il 14C che negli ultimi anni è stata ulteriormente migliorata ricorrendo alla datazione dei coralli e al metodo Uranio Torio.


Un esempio di datazione “controversa”: la sindone e l'esito della sua datazione

Nel 1988 tre diversi laboratori, quelli di Oxford, Tucson e del Politecnico di Zurigo - su incarico della stessa arcidiocesi di Torino - eseguirono separatamente una datazione della Sindone con la tecnica radiometrica del Carbonio 14, utilizzando i campioni di tessuto sindonico prelevati nel 1978.
Secondo il risultato dell'esame -annunciato il 13 ottobre 1988 e pubblicato su Nature il 16 febbraio 1989- il lenzuolo va datato nell'intervallo di tempo compreso tra il 1295 e il 1360.
Questo risultato è stato contestato da diversi studiosi, che hanno evidenziato diverse possibili cause d'inquinamento del tessuto.

Lacune di questo tipo di metodo
Bisogna considerare che il metodo di misurazione associato al Carbonio -14 è stato sviluppato primariamente per l'uso di oggetti recentemente dissotterrati, o comunque isolati da contatti umani prima della conduzione del test, questo soprattutto perché l'ignoranza delle condizioni ambientali (alte temperature, alte concentrazioni di energia, inquinamento, etc.) a cui un determinato oggetto è stato sottoposto rende difficile la calibratura del test.
Proprio per questo, l'utilizzo di questa prova per datare la Sindone di Torino è stato fortemente contestato, a partire dallo stesso Libby, per la notevole contaminazione che il manufatto ha subito nel corso dei secoli, contaminazione che ha profondamente alterato le quantità di carbonio presenti sullo stesso.