Se è vero che il tasso di decadimento radioattivo non dipende dalle condizioni chimiche e di temperatura, come si può calcolare l’età di formazione di una roccia valutandone il contenuto di isotopi radioattivi? Cioè, il fatto che la roccia si sia formata per solidificazione del magma dieci milioni di anni fa o cento, non dovrebbe essere influente. Sia nella roccia che nel magma da cui essa deriva, il decadimento continua parallelamente allo stesso modo…

E’ vero! Il
tasso di decadimento radioattivo è caratteristico di
ogni isotopo e non esiste alcuna forza nota in grado di
farlo variare. Il tasso di decadimento è espresso come
“periodo di dimezzamento” o
“semiperiodo” dell’isotopo, il tempo occorrente
cioè affinchè metà degli isotopi presenti in origine
si trasformi nel prodotto finale del decadimento (per
esempio, gli isotopi dell’uranio si trasformano in
piombo, gli isotopi del carbonio C14 in azoto).

I semiperiodi sono
piuttosto variabili, e variano dai 4 miliardi e mezzo
dell’isotopo 238 dell’uranio, ai 166 anni di un isotopo
del radio, sino ai 26,8 minuti di uno degli isotopi
radioattivi del piombo.
Il sistema della
datazione delle rocce attraverso lo studio degli isotopi
radioattivi di alcuni elementi (o radiodatazione)
permette una cronologia geologica così detta
“assoluta”, in cui l’età viene indicata in
migliaia o centinaia di milioni di anni, ad esempio. Una
roccia la si può anche datare attribuendola ad un
periodo geologico caratterizzato da particolari eventi,
per es. una glaciazione, un sollevamento del livello
marino, etc (eventi che decretano l’inizio di una’era o
periodo geologico, e la fine di un’altro). Quest’ultimo
sistema si basa in parte sullo studio paleontologico dei
fossili e prende il nome di “cronologia
relativa”.

Ci sono diversi
sistemi (vedi tabella 1 più sotto) che permettono lo studio radiometrico delle rocce
per la loro datazione assoluta. Ognuno utilizza uno o
più determinati isotopi radioattivi, e possono essere
utilizzati per periodi geologici differenti. Per esempio
i geologi del Quaternario e gli archeologici utilizzano
il metodo dell’isotopo radioattivo del carbonio (metodo
proposto nel 1940), o carbonio 14 (radiocarbonio). Il C
14 ha un semiperiodo di 5567 con un errore ( in più o in
meno) di 30 anni. Il metodo del radiocarbonio si può
utilizzare per rocce, terreni ed oggetti di età fino a
30.000-40.000 anni.

Un altro metodo è
quello uranio-piombo. Il semiperiodo dell’isotopo
radioattivo 238 dell’uranio è di 4,5 miliardi di anni,
grosso modo l’età della Terra. L’isotopo U 235 ha un
periodo di dimezzamento di 710 milioni di anni. In una
roccia la proporzione fra i due isotopi è costante. Il
semiperiodo del Torio è di 13,9 miliardi di anni. Questi
tre isotopi si trasformano rispettivamente in piombo 206,
207 e 208 (vedi tabella qui sotto).

Veniamo al perchè
il decadimento radioattivo può dare indicazioni
sull’invecchiamento della roccia, e quali sono le
eccezioni.
E’ stato dimostrato
sperimentalmente che in un cristallo di minerale di
uranio la disintegrazione ha inizio al momento della
cristallizzazione. Se questo minerale appartiene ad una
roccia magmatica, il tempo che di determina su di esso è
quello del raffreddamento e consolidamento del magma. Il
minerale può tuttavia appartenere ad un frammento di
roccia sedimentaria, ed in questo caso l’età viene
falsata, poichè la roccia sedimentaria è evidentemente
più giovane del frammento esaminato. In questo
caso l’età
determinata si riferisce al frammento, e non alla roccia.
In una roccia metamorfica (modificata chimicamente e
fisicamente, cioè, a causa di mutate condizioni di
pressione e/o temperatura) l’età misurabile è quella
del metamorfismo, e non quella della roccia originaria.

Ritornando al
metodo del radiocarbonio, è il caso di aggiungere che il
C 14 è un isotopo radioattivo del C 12 e si forma
nell’alta atmosfera (sino a 15-20 mila metri di quota) a
causa delle collisioni della radiazione cosmica coi gas
della stratosfera. Si generano in questo modo dei
neutroni.
L’aria è composta
grosso modo dal 21 % di ossigeno e dal 79% di azoto.

Quando un atomo di
azoto (numero atomico 7) cattura un neutrone, diventa
instabile e perde un protone, trasformandosi in un atomo
con 6 protoni, cioè il carbonio 14, instabile (poichè
possiede 8 neutroni anzichè 6 come nel carbonio 12,
stabile). Il radiocarbonio si ossida formando anidride
carbonica, che insieme a quella formata dal C 12 viene
fissata nella materia organica degli esseri viventi. Nei
tessuti degli organismi i due isotopi C12 e 14 si trovano
nella medesima proporzione nell’atmosfera, ma quando
l’organismo muore il carbonio 14 comincia a diminuire per
disintegrazione radioattiva, impiegando come abbiamo
visto, circa 5567 anni. La radiodatazione con il C 14
quindi indica l’età della morte dell’organismo.

Altri metodi di
radiodatazione sono, oltre ai sopradescritti C12-14 e
uranio/torio-piombo, i metodi del potassio-argon
(scoperto nel 1948) valido per molti tipi di rocce, per
età superiori al milione di anni (il potassio
radioattivo o K 40 ha un semiperiodo di 1300 milioni di
anni; il metodo del rubidio-stronzio: il rubidio 87
decade in stronzio 87 con un semiperiodo di 4,7 miliardi
di anni. Questo metodo è indicato ed applicabile senza
limitazioni per le rocce più antiche.

Inoltre esistono
metodi che si basano sulla misura degli isotopi
del’uranio e del radio dei sedimenti dei fondali marini,
utili nelle ricerche oceanografiche e di geologia
marina.