Scientia

Luăm contact adesea prin intermediul mass-media cu ştiri despre descoperirile arheologice făcute în diverse colţuri ale lumii. Fie că este vorba despre unelte din lemn sau oase foarte bine conservate, arheologii fac întotdeauna estimări privind vechimea obiectelor sau rămăşiţelor umane dezgropate.

Majoritatea metodelor de datare a artefactelor folosesc tehnici bazate pe proprietăţile anumitor substanţe chimice radioactive. Cea mai cunoscută metodă este datarea pe bază de radiocarbon, cunoscut şi drept carbonul-14.

Datarea cu carbon-14 permite determinarea vârstei artefactelor de origine biologică nu mai vechi de 50-60 de mii de ani. Metoda este folosită în special pentru datarea oaselor, obiectelor vestimentare, lemnului şi fibrelor vegetale produse ale activităţilor umane în trecutul relativ recent, din punct de vedere arheologic, al planetei.

Cum ia naştere carbonul-14 pe Terra?

Radiaţia cosmică penetrează permanent atmosfera terestră.  Se estimează că fiecare dintre noi intră în contact în fiecare oră cu nu mai puţin de o jumătate de milion de raze cosmice. Atunci când razele cosmice vin în contact cu atomii din compoziţia atmosferei ele dau naştere unei raze cosmice secundare sub forma unui neutron cu surplus energetic. Acesta din urmă, la rândul său, se ciocneşte cu un atom de azot (7 protoni, 7 neutroni), rezultând astfel un atom de carbon-14 şi un proton (atom de hidrogen). Carbonul-14 este un izotop radioactiv al carbonului şi are o perioadă de înjumătăţire de 5700 de ani.

Radioactivitatea este un fenomen rezultat din dezintegrarea radioactivă a atomilor sau, mai bine zis, a nucleelor acestora. În cadrul acestui proces nucleul unui atom se transformă spontan în altă specie de nucleu atomic.

Anumite elemente chimice sunt prezente în natură sub diverse forme, numite izotopi ai acelui element. Toţi izotopii unui element chimic constau din atomi care posedă acelaşi număr de electroni în învelişul electronic, iar nucleele lor conţin acelaşi număr de protoni, singura diferenţă constând în numărul de neutroni. În termeni chimici, vorbim de atomi cu acelaşi număr atomic Z, dar cu mase atomice A diferite.

Un izotop care din cauza structurii sale, de obicei a excesului de neutroni, poate suferi fenomenul de dezintegrare radioactivă se numeşte izotop radioactiv. Radioactivitatea depinde în mod fundamental, după cum am spus, de numărul de neutroni din nucleu, izotopii aceluiaşi element chimic comportându-se în general foarte diferit.

Dezintegrarea radioactivă presupune de obicei expulzarea unor particule subatomice având viteză foarte mare, precum şi emiterea unor unde electromagnetice cu lungime de undă foarte mică. De asemenea, radioactivitatea este un fenomen exoterm (produce eliberarea energiei către mediu).

Perioada de înjumătăţire a unui izotop radioactiv este intervalul de timp în care jumătate dintr-o anume cantitate de material radioactiv format din acel radioizotop se descompune în alte elemente chimice ca urmare a  dezintegrării radioactive.

Carbonul-14 care apare ca urmare a interacţiunilor dintre atmosfera terestră şi radiaţia cosmică se combină cu oxigenul atmosferic dând naştere atomilor de dioxid de carbon, pe care plantele îl absorb şi îl stochează în fibrele vegetale prin fotosinteză. Atomii de carbon sunt prezenţi în natură în proporţie covârşitoare sub forma izotopului carbon-12, care nu este radioactiv. Proporţia in care cei doi izotopi sunt răspândiţi în natură este una constantă, cel puţin în aer şi în interiorul organismelor vii, plante sau animale.

Aproximativ unul dintr-un trilion de atomi de carbon este de tip carbon-14. Deşi atomii de carbon-14 se dezintegrează cu o rată de înjumătăţire constantă, radiaţia cosmică dă naştere altora, păstrându-se astfel raportul dintre carbon-14 şi carbon-12 în interiorul organismelor vii. Raportul dintre carbon-14 şi carbon-12 este acelaşi pentru toţi oamenii, iar această proporţie se păstrează şi în cazul plantelor sau animalelor.

Datarea unei fosile

Când un organism moare, preluarea de carbon-14 din atmosferă sau din hrana de natură vegetală sau animală încetează. Raţionamentul este valabil şi pentru plante, în cazul cărora fotosinteza nu se mai produce. Numai că procesul de dezintegrare radioactivă a carbonului-14 deja existent în structura organismelor moarte, fie ele animale sau plante, continuă. Dacă izotopul de carbon-14 are o perioadă de înjumătăţire de 5700 de ani, cantitatea de carbon-12 nu se schimbă nici după moartea organismelor vii. Estimând procentul de atomi de carbon-14 raportaţi la atomi de carbon-12 dintr-o mostră prelevată din rămăşiţele vegetale sau animale dezgropate în siturile arheologice, oamenii de ştiinţă pot estima cu o precizie mulţumitoare vechimea mostrei, deci a artefactului sau rămăşiţelor umane, după caz.

Alţi izotopi radioactivi

Datorită perioadei de înjumătăţire a izotopului de carbon-14, se pot data astfel doar obiecte nu mai vechi de 60000 de ani. Metoda poate fi însă extinsă şi pentru alte elemente chimice instabile, care se dezintegrează şi au perioade de înjumătăţire mult mai lungi. De pildă, potasiul-40, şi acesta un izotop radioactiv care  se găseşte în plante şi animale, are o perioadă de înjumătăţire de 1,3 miliarde de ani. Mai mult, uraniu-235, cu o perioadă de înjumătăţire de 704 milioane de ani, toriu-232, cu perioada de înjumătăţire de 14 miliarde de ani, sau rubidiu-87, cu perioada de înjumătăţire de 49 miliarde de ani.

Vom putea folosi întotdeauna aceste metode de datare a artefactelor?

Folosirea radioizotopilor permite datarea diverselor obiecte cu o precizie deosebită, dar este posibil ca pe viitor, din cauza faptului că  bombele şi reactoarele nucleare, dar şi testele nucleare efectuate de oameni au schimbat şi modifică mereu procentele în care aceşti izotopi există în natură, aceste metode să nu mai fie la fel de precise.

Articol inspirat de un material de pe situl howstuffworks.com.