Come funziona la datazione al carbonio radioattivo

datazione al radiocarbonio (chiamata anche datazione al carbonio o datazione al carbonio-14) è un metodo per determinare l'età di un oggetto contenente materiale organico utilizzando le proprietà del carbonio-14 (radiocarbonio, 14 C), un isotopo radioattivo del carbonio.

Il metodo è stato sviluppato alla fine degli anni '40 presso l'Università di Chicago da Willard Libby, sulla base della costante creazione di radiocarbonio (¹⁴ C) nell'atmosfera terrestre mediante l'interazione dei raggi cosmici con l'azoto atmosferico. Il ¹⁴ C risultante si combina con l'ossigeno atmosferico per formare anidride carbonica radioattiva, che viene incorporata nelle piante dalla fotosintesi; gli animali acquisiscono poi ¹⁴ C mangiando le piante. Quando un organismo muore, smette di scambiare carbonio con il suo ambiente e successivamente la quantità di ¹⁴ C in esso diminuisce man mano che il ¹⁴ C subisce il decadimento radioattivo. La misurazione della proporzione di ¹⁴ C in un campione di un organismo morto, come un pezzo di legno o un frammento di osso, fornisce informazioni che possono essere utilizzate per calcolare quando l'animale o la pianta sono morti. Più un campione è vecchio, meno ¹⁴ C ci sono. Poiché l'emivita del ¹⁴ C (il periodo di tempo in cui metà di esso decade) è di circa 5.730 anni, le date più antiche che possono essere misurate in modo affidabile da questo processo risalgono a circa 50.000 anni fa (in questo intervallo circa il 99,8% del ¹⁴ C decade); anche se speciali metodi di preparazione rendono occasionalmente possibile un'analisi accurata di campioni più vecchi. Nel 1960, Libby vinse il Premio Nobel per la chimica per il suo lavoro.

La ricerca è in corso dagli anni '60 per determinare quale sia stata la proporzione di ¹⁴ C nell'atmosfera negli ultimi 50.000 anni. I dati risultanti, sotto forma di curva di calibrazione, vengono ora utilizzati per convertire una data misurazione del radiocarbonio in un campione in una stima dell'età solare del campione. Altre correzioni devono essere apportate per tenere conto della proporzione di ¹⁴ C nei diversi tipi di organismi (frazionamento) e dei livelli variabili di ¹⁴ C in tutta la biosfera (effetti serbatoio). Ulteriori complicazioni derivano dalla combustione di combustibili fossili come carbone e petrolio e dai test nucleari in superficie negli anni '50 e '60.

Il tempo necessario per convertire il materiale biologico in combustibili fossili è molto più lungo dell'emivita di ¹⁴ °C, quindi i combustibili fossili non contengono quasi ¹⁴ °C. Di conseguenza, a partire dalla fine del XIX secolo, c'è stato un notevole calo della proporzione di ¹⁴ C nell'atmosfera, poiché l'anidride carbonica generata dalla combustione di combustibili fossili ha iniziato a accumulare. Al contrario, i test nucleari hanno aumentato la quantità di ¹⁴ C nell'atmosfera, che ha raggiunto un massimo intorno al 1965 di quasi il doppio della quantità presente nell'atmosfera prima dei test nucleari.

La misurazione del radiocarbonio è stata originariamente effettuata con dispositivi di conteggio beta, che contavano la quantità di radiazione beta emessa dal decadimento degli atomi di ¹⁴ C in un campione. Più recentemente, la spettrometria di massa con acceleratore è diventata il metodo di scelta; conta tutti i ¹⁴ atomi di C nel campione e non solo i pochi che cadono durante le misurazioni; Può quindi essere utilizzato con campioni molto più piccoli (piccoli come i semi di singole piante) e dà risultati molto più rapidamente. Lo sviluppo della datazione al radiocarbonio ha avuto un profondo impatto sull'archeologia. Oltre a consentire una datazione più accurata all'interno dei siti archeologici rispetto ai metodi precedenti, consente il confronto delle date degli eventi attraverso grandi distanze. Le storie dell'archeologia spesso si riferiscono al suo impatto come alla "rivoluzione del radiocarbonio". La datazione al radiocarbonio ha permesso di datare le transizioni chiave della preistoria, come la fine dell'ultima era glaciale e l'inizio del Neolitico e dell'Età del Bronzo in diverse regioni.

Nel 1939, Martin Kamen e Sam Ruben del Radiation Laboratory di Berkeley iniziarono esperimenti per determinare se qualcuno degli elementi comuni nella materia organica avesse isotopi con emivite abbastanza lunghe da essere utili nella ricerca biomedica. Hanno sintetizzato ¹⁴ C utilizzando l'acceleratore ciclotronico del laboratorio e presto hanno scoperto che l'emivita dell'atomo era molto più lunga di quanto si pensasse in precedenza. ^[1] A questo seguì una predizione di Serge A. Korff, allora impiegato al Franklin Institute di Philadelphia, secondo cui l'interazione dei neutroni termici con ¹⁴ N nell'atmosfera superiore creerebbe ¹⁴ C. ^{[nota 1] [3] [4] In} precedenza si pensava che ^{il 14} C sarebbe stato più probabile che fosse stato creato da deuteroni che interagivano con ^{il 13} C. ^[1] Ad un certo punto durante la seconda guerra mondiale, Willard Libby, che allora era a Berkeley, venne a conoscenza delle ricerche di Korff e concepì l'idea che sarebbe stato possibile utilizzare il radiocarbonio per la datazione. ^{[3] [4]}

Nel 1945, Libby si trasferì all'Università di Chicago, dove iniziò il suo lavoro sulla datazione al radiocarbonio. Pubblicò un articolo nel 1946 in cui proponeva che il carbonio nella materia vivente potesse includere ^{il 14} C così come il carbonio non radioattivo. ^{[5] [6]} Libby e diversi collaboratori procedettero a sperimentare il metano raccolto dalle fognature in Baltimora, e dopo aver arricchito isotopicamente i loro campioni, sono stati in grado di dimostrare che contenevano ¹⁴ C. Al contrario, il metano prodotto dal petrolio non ha mostrato attività radiocarbonica a causa della sua età. I risultati furono riassunti in un articolo su Science nel 1947, in cui gli autori commentavano che i loro risultati implicavano che sarebbe stato possibile datare materiali contenenti carbonio di origine organica. ^{[5] [7]}

Libby e James R. Arnold procedettero a testare la teoria della datazione al radiocarbonio analizzando campioni con età note. Ad esempio, due campioni prelevati dalle tombe di due re egiziani, Zoser e Sneferu, datati indipendentemente al 2625 a.C. ± 75 anni, sono stati datati mediante misurazione al radiocarbonio a una media di 2800 a.C. ± 250 anni. Questi risultati furono pubblicati su Science nel dicembre 1949. ^{[8] [9] [nota 2]} Entro 11 anni dal loro annuncio, sono stati istituiti più di 20 laboratori di datazione al radiocarbonio in tutto il mondo. ^[11] Nel 1960, Libby fu insignita del Premio Nobel per la chimica per questo lavoro. ^[5]

Articolo

principale: Carbonio-14

In natura, il carbonio esiste come tre isotopi. Il carbonio-12 ( ¹² C) e il carbonio-13 ( ¹³ C) sono stabili (non radioattivi); Il carbonio-14 ( ¹⁴ C), noto anche come "radiocarbonio", è radioattivo. L'emivita del ¹⁴ C è di circa 5.730 anni, quindi ci si potrebbe aspettare che la sua concentrazione nell'atmosfera diminuisca nel corso di migliaia di anni, ma il ¹⁴ C viene costantemente prodotto nella stratosfera inferiore e nella troposfera superiore, principalmente dai raggi cosmici galattici e, in misura minore, dai raggi cosmici solari. ^{[5] [12]} Questi raggi cosmici generano neutroni mentre viaggiano attraverso l'atmosfera che possono colpire gli atomi di azoto-14 ( ¹⁴
N) e trasformarli in ¹⁴ C. ^[5] La seguente reazione nucleare è il percorso principale attraverso il quale viene creato ^{il 14} C:

n + ¹⁴
₇ N
→ ¹⁴
₆ C
+ p

dove n = neutrone e p = protone. ^{[13] [14] [nota 3]}

Una volta prodotto, il ¹⁴ C si combina rapidamente con l'ossigeno (O) nell'atmosfera per formare prima il monossido di carbonio (CO), ^[14] e infine l'anidride carbonica (CO ₂ ). ^[15]

¹⁴ C + O ₂ → ¹⁴ CO + O

¹⁴ CO + OH → ¹⁴ CO ₂ + H

L'anidride carbonica così prodotta si diffonde nell'atmosfera, si dissolve nell'oceano e viene assorbito dalle piante attraverso la fotosintesi. Gli animali mangiano le piante e, in ultima analisi, il radiocarbonio viene distribuito in tutta la biosfera. Il rapporto tra ¹⁴ C e ¹² C è ~ 1,25 parti ¹⁴ C per 10 ¹² parti ¹² C. ^[16] Inoltre, circa l'1% degli atomi di carbonio sono dell'isotopo stabile ¹³ C. ^[5]

L'equazione per il decadimento radioattivo di ¹⁴ C è: ^[17]

¹⁴
₆ C
→ ¹⁴
₇ N
+
e ⁻
+

ν _e

Emettendo una particella beta (un elettrone, e ⁻ ) e un antineutrino elettronico (
ν
_e ), uno dei neutroni nel nucleo ¹⁴ C si trasforma in un protone e il nucleo ¹⁴ C ritorna all'isotopo stabile ¹⁴ N. ^[18]

Principi

Durante la sua vita, una pianta o un animale è in equilibrio con l'ambiente circostante scambiando carbonio con l'atmosfera o attraverso la sua dieta. Avrà, quindi, la stessa proporzione di ¹⁴ C dell'atmosfera o, nel caso di animali o piante marine, dell'oceano. Una volta che muore, cessa di acquisire ¹⁴ C; ma il ¹⁴ C all'interno del suo materiale biologico in quel momento continua a decadere, e così il rapporto tra ¹⁴ C e ¹² C nei suoi resti diminuisce gradualmente. Poiché il ¹⁴ C decade a una velocità nota, la proporzione di radiocarbonio può essere utilizzata per determinare quanto tempo è passato da quando un dato campione ha smesso di scambiare carbonio: più vecchio è il campione, meno ¹⁴ C sono rimasti. ^[16]

L'equazione che governa il decadimento di un isotopo radioattivo è: ^[5]

dove N ₀ è il numero di atomi dell'isotopo nel campione originale (al tempo t = 0, quando l'organismo da cui è stato prelevato il campione è morto), e N è il numero di atomi rimasti dopo il tempo t . ^[5] λ è una costante che dipende dal particolare isotopo; per un dato isotopo è uguale al reciproco della vita media – cioè il tempo medio o atteso Un dato atomo sopravviverà prima di subire un decadimento radioattivo. ^[5] La vita media, indicata con τ , di ¹⁴ C è di 8.267 anni, ^{[nota 4]} quindi l'equazione di cui sopra può essere riscritta come: ^[20]

Si presume che il campione avesse originariamente lo stesso rapporto ¹⁴ C/¹² C del rapporto nell'atmosfera, e poiché la dimensione del campione è nota, il numero totale di atomi in il campione può essere calcolato, ottenendo N ₀ , il numero di ¹⁴ atomi di C nel campione originale. La misurazione di N , il numero di ¹⁴ atomi di C attualmente nel campione, consente il calcolo di t , l'età del campione, utilizzando l'equazione sopra. ^[16]

L'emivita di un radioisotopo (di solito indicata con t _1/2 ) è un concetto più familiare della vita media, quindi sebbene le equazioni di cui sopra siano espresse in termini di vita media, è più comune citare il valore dell'emivita di ¹⁴ C rispetto alla sua vita media. Il valore attualmente accettato per l'emivita di ¹⁴ C è di 5.700 ± 30 anni. ^[21] Così, dopo 5.700 anni, rimane solo la metà dei ¹⁴ C iniziali; ne rimane un quarto dopo 11.400 anni; un ottavo dopo 17.100 anni; E così via.

I calcoli di cui sopra fanno diverse ipotesi, come che il livello di ¹⁴ C nell'atmosfera è rimasto costante nel tempo. ^[5] In effetti, il livello di ¹⁴ C nell'atmosfera è variato in modo significativo e, di conseguenza, i valori forniti dall'equazione di cui sopra devono essere corretti utilizzando dati provenienti da altre fonti. ^[22] Ciò viene fatto mediante curve di calibrazione (discusse di seguito), che convertono una misurazione di ¹⁴ C in un campione in un'età di calendario stimata. I calcoli prevedono diversi passaggi e comprendono un valore intermedio chiamato "età radiocarbonica", che è l'età in "anni radiocarbonici" del campione: un'età citata in anni radiocarbonici significa che non è stata utilizzata alcuna curva di calibrazione − i calcoli per gli anni radiocarbonici presuppongono che il rapporto atmosferico ¹⁴ C/¹² C non sia cambiato nel tempo. ^{[23] [24]}

Il calcolo dell'età radiocarbonica richiede anche il valore dell'emivita per ¹⁴ C. Nell'articolo di Libby del 1949 utilizzò un valore di 5720 ± 47 anni, sulla base della ricerca di Engelkemeir et al. ^[25] Questo era notevolmente vicino al valore moderno, ma poco dopo il valore accettato fu rivisto a 5568 ± 30 anni, ^[26] e questo valore fu in uso per più di un decennio. È stato rivisto di nuovo nei primi anni '60 a 5.730 ± 40 anni, ^{il che} significava che molte date calcolate in articoli pubblicati prima di questo erano errate (l'errore nel tempo di dimezzamento è di circa il 3%). ^{[nota 5]} Per coerenza con questi primi articoli, alla Conferenza sul radiocarbonio del 1962 a Cambridge (Regno Unito) fu concordato di utilizzare il "tempo di dimezzamento di Libby" di 5568 anni. Le età radiocarboniche sono ancora calcolate utilizzando questo tempo di dimezzamento, e sono conosciute come "età radiocarbonica convenzionale". Poiché la curva di calibrazione (IntCal) riporta anche la concentrazione atmosferica di ¹⁴ C passata utilizzando questa età convenzionale, qualsiasi età convenzionale calibrata rispetto alla curva IntCal produrrà un'età calibrata corretta. Quando viene citata una data, il lettore deve essere consapevole che se si tratta di una data non calibrata (un termine usato per le date fornite in anni radiocarbonici) può differire sostanzialmente dalla migliore stima della data di calendario effettiva, sia perché utilizza il valore errato per l'emivita di ¹⁴ C, sia perché non è stata applicata alcuna correzione (calibrazione) per la variazione storica di ¹⁴ C nell'atmosfera nel tempo. ^{[23] [24] [30] [nota 6]}

Serbatoio

di

scambio del carbonio

Il carbonio è distribuito in tutta l'atmosfera, la biosfera e gli oceani; questi sono indicati collettivamente come il serbatoio di scambio del carbonio, ^[33] e ogni componente è anche indicato individualmente come serbatoio di scambio del carbonio. I diversi elementi del serbatoio di scambio del carbonio variano in base alla quantità di carbonio che immagazzinano e al tempo impiegato dai ¹⁴ C generati dai raggi cosmici per mescolarsi completamente con essi. Ciò influisce sul rapporto tra ¹⁴ C e ¹² C nei diversi serbatoi, e quindi sull'età radiocarbonica dei campioni che hanno avuto origine in ciascun serbatoio. ^[5] L'atmosfera, che è il luogo in cui viene generato il ¹⁴ °C, contiene circa l'1,9% del carbonio totale nei serbatoi, e il ¹⁴ C che contiene si mescola in meno di sette anni. ^[34] Il rapporto tra ¹⁴ C e ¹² C nell'atmosfera è preso come base per gli altri serbatoi: se un altro serbatoio ha un rapporto inferiore di ¹⁴ C a ¹² C, indica che il carbonio è più vecchio e quindi che parte del ¹⁴ C è decaduto, o che il serbatoio sta ricevendo carbonio che non si trova alla linea di base atmosferica. ^[22] La superficie dell'oceano ne è un esempio: contiene il 2,4% del carbonio nel serbatoio di scambio, ma c'è solo circa il 95% in più di ¹⁴ C di quanto ci si aspetterebbe se il rapporto fosse lo stesso dell'atmosfera. ^[5] Il tempo impiegato dal carbonio dall'atmosfera per mescolarsi con l'oceano superficiale è solo di pochi anni, ^[35] ma le acque superficiali ricevono anche acqua dall'oceano profondo, che ha più del 90% del carbonio nel serbatoio. ^[22] L'acqua nelle profondità oceaniche impiega circa 1.000 anni per ricircolare attraverso le acque superficiali, e quindi le acque superficiali contengono una combinazione di acqua più vecchia, con ¹⁴ C impoverito, e acqua recentemente in superficie, con ^{14 C.} C in equilibrio con l'atmosfera. ^[22]

Le creature che vivono sulla superficie dell'oceano hanno gli stessi rapporti di ¹⁴ C dell'acqua in cui vivono e, come risultato del ridotto rapporto ¹⁴ C/¹² C, l'età radiocarbonica della vita marina è in genere di circa 400 anni. ^Gli organismi sulla terraferma sono in più stretto equilibrio con l'atmosfera e hanno lo stesso rapporto ¹⁴ C / ¹² C dell'atmosfera. ^{[5] [nota 8]} Questi organismi contengono circa l'1,3% del carbonio nel serbatoio; Gli organismi marini hanno una massa inferiore all'1% di quelli terrestri e non sono mostrati nel diagramma. La materia organica morta accumulata, sia di piante che di animali, supera la massa della biosfera di un fattore di quasi 3, e poiché questa materia non scambia più carbonio con il suo ambiente, ha un ¹⁴ Rapporto C/¹² C inferiore a quello della biosfera. ^[5]

Articolo principale: Considerazioni sulla datazione al radiocarbonio

La variazione del rapporto ¹⁴ C/¹² C in diverse parti del serbatoio di scambio del carbonio significa che un semplice calcolo dell'età di un campione basato sulla quantità di ¹⁴ C che contiene darà spesso un risultato errato. Ci sono molte altre possibili fonti di errore che devono essere considerate. Gli errori sono di quattro tipi generali:

• variazioni del rapporto ¹⁴ C/¹² C nell'atmosfera, sia geograficamente che nel tempo;
• frazionamento isotopico;
• variazioni del rapporto ¹⁴ C/ ¹² C in diverse parti del giacimento;
• contaminazione.

Variazione

atmosferica

Nei primi anni di utilizzo del si comprese che dipendeva dal fatto che il rapporto atmosferico ¹⁴ C/¹² C fosse rimasto lo stesso nel corso delle precedenti migliaia di anni. Per verificare l'accuratezza del metodo, sono stati testati diversi manufatti databili con altre tecniche; I risultati dei test erano in ragionevole accordo con la vera età degli oggetti. Nel corso del tempo, tuttavia, iniziarono ad apparire discrepanze tra la cronologia nota per le più antiche dinastie egizie e le datazioni al radiocarbonio dei manufatti egizi. Né la cronologia egiziana preesistente né il nuovo metodo di datazione al radiocarbonio potevano essere considerati accurati, ma una terza possibilità era che il rapporto ¹⁴ C/¹² C fosse cambiato nel tempo. La questione è stata risolta dallo studio degli anelli degli alberi: ^{[39] [40] [41]} il confronto di serie sovrapposte di anelli degli alberi ha permesso costruzione di una sequenza continua di dati sugli anelli degli alberi che abbracciava 8.000 anni. ^[39] (Da quel momento la serie di dati sugli anelli degli alberi è stata estesa a 13.900 anni.) ^[30] Negli anni '60, Hans Suess fu in grado di utilizzare la sequenza degli anelli degli alberi per dimostrare che le date derivate dal radiocarbonio erano coerenti con le date assegnate dagli egittologi. Ciò è stato possibile perché, sebbene le piante annuali, come il mais, abbiano un rapporto ^{di 14} C / ¹² C che riflette il rapporto atmosferico al momento in cui crescevano, gli alberi aggiungono materiale al loro anello più esterno solo in un dato anno, mentre gli anelli interni non vengono reintegrati con i loro ¹⁴ C e invece perdono solo ¹⁴ C attraverso il decadimento radioattivo. Quindi ogni anello conserva una registrazione del rapporto atmosferico ¹⁴ C/¹² C dell'anno in cui è cresciuto. Datazione al carbonio del legno dagli anelli degli alberi stessi fornisce la necessaria verifica sul rapporto atmosferico ¹⁴ C/ ¹² C: con un campione di data nota, e una misura del valore di N (il numero di atomi di ¹⁴ C rimasti nel campione), l'equazione della datazione al carbonio permette di calcolare N ₀ – il numero di atomi di ¹⁴ C nel campione al momento della formazione dell'anello dell'albero – e quindi il rapporto ¹⁴ C/ ¹² C nell'atmosfera a quel tempo. ^{[39] [41]} Equipaggiato con i risultati della datazione al carbonio degli anelli degli alberi, divenne possibile costruire curve di calibrazione progettate per correggere gli errori causati dalla variazione nel tempo del rapporto ¹⁴ C/¹² C. ^[42] Queste curve sono descritte più dettagliatamente di seguito.

Il carbone e il petrolio iniziarono ad essere bruciati in grandi quantità durante il XIX secolo. Entrambi sono abbastanza grandi che contengono poco o nessun ¹⁴ C rilevabile; di conseguenza, la CO ₂ rilasciata ha sostanzialmente diluito il rapporto atmosferico ¹⁴ C/¹² C. La datazione di un oggetto dell'inizio del XX secolo fornisce quindi una data apparente più antica della data reale. Per lo stesso motivo, le concentrazioni di ¹⁴ C nelle vicinanze delle grandi città sono inferiori alla media atmosferica. Questo effetto dei combustibili fossili (noto anche come effetto Suess, dal nome di Hans Suess, che lo riportò per la prima volta nel 1955) equivarrebbe solo a una riduzione dello 0,2% dell'attività del ¹⁴ C se il carbonio aggiuntivo dai combustibili fossili fosse distribuito in tutto il serbatoio di scambio del carbonio, ma a causa del lungo ritardo nel mescolarsi con l'oceano profondo, L'effetto effettivo è una riduzione del 3%. ^{[39] [43]}

Un effetto molto più grande proviene dai test nucleari in superficie, che hanno rilasciato un gran numero di neutroni nell'atmosfera, con conseguente creazione di ¹⁴ C. Dal 1950 al 1963 circa, quando furono vietati i test nucleari atmosferici, si stima che siano state create diverse tonnellate di ¹⁴ C. Se tutti questi ¹⁴ C in più fossero stati immediatamente distribuiti su tutto il serbatoio di scambio di carbonio, ciò avrebbe portato ad un aumento del rapporto ¹⁴ C/¹² C di pochi centri, ma l'effetto immediato è stato quello di quasi raddoppiare la quantità di ¹⁴ C nell'atmosfera, con il picco del livello che si è verificato nel 1964 per l'emisfero settentrionale. e nel 1966 per l'emisfero australe. Da allora il livello è diminuito, poiché questo impulso di bomba o "bomba di carbonio" (come viene talvolta chiamato) percola nel resto del serbatoio. ^{[39] [43] [44] [38]}

Frazionamento isotopico

La fotosintesi è Il processo principale mediante il quale il carbonio si sposta dall'atmosfera agli esseri viventi. Nelle vie fotosintetiche ^{il 12} C viene assorbito leggermente più facilmente del ¹³ C, che a sua volta viene assorbito più facilmente del ¹⁴ C. L'assorbimento differenziale dei tre isotopi del carbonio porta a rapporti ¹³ C/¹² C e ¹⁴ C/ ¹² C nelle piante che differiscono dai rapporti nell'atmosfera. Questo effetto è noto come frazionamento isotopico. ^{[45] [46]}

Per determinare il grado di frazionamento che avviene in un dato impianto, vengono misurate le quantità di ¹² C e ¹³ C e il rapporto ¹³ C/¹² C risultante viene quindi confrontato con un rapporto standard noto come PDB. ^{[nota 9]} Il rapporto ¹³ C/¹² C viene utilizzato invece di ¹⁴ C/¹² C perché il primo è molto più facile da misurare, e il secondo può essere facilmente derivato: l'esaurimento di ¹³ C rispetto a ¹² C è proporzionale alla differenza nelle masse atomiche dei due isotopi, quindi l'esaurimento per ¹⁴ C è il doppio dell'esaurimento di ¹³ C. ^[22] Il frazionamento di ¹³ C, noto come δ ¹³ C, è calcolato come segue: ^[45]

"

dove " significa parti per mille. ^[45] Poiché lo standard PDB contiene una percentuale insolitamente elevata di ¹³ C, ^{[nota 10]} la maggior parte dei valori misurati di ¹³ C sono negativi.

Per gli organismi marini, i dettagli delle reazioni di fotosintesi sono meno ben compresi, e i valori δ ¹³ C per gli organismi fotosintetici marini dipendono dalla temperatura. A prezzi più alti temperatura, la CO ₂ ha una scarsa solubilità in acqua, il che significa che c'è meno CO ₂ disponibile per le reazioni fotosintetiche. In queste condizioni, il frazionamento è ridotto e a temperature superiori a 14 °C (57 °F) i valori δ ¹³ C sono corrispondentemente più alti, mentre a temperature più basse, la CO ₂ diventa più solubile e quindi più disponibile per gli organismi marini. ^[46]

Il valore δ ¹³ C per gli animali dipende dalla loro dieta. Un animale che mangia cibo con δ ¹³ C più alti avrà un δ ¹³ C più alto di uno che mangia cibo con δ ¹³ C più bassi. ^Anche i processi biochimici dell'animale possono influenzare i risultati: ad esempio, sia i minerali ossei che il collagene osseo hanno in genere una concentrazione più alta di ¹³ C rispetto a quella che si trova nella dieta dell'animale, anche se per diversi ragioni biochimiche. L'arricchimento di ¹³ C osseo implica anche che il materiale escreto si esaurisce in ¹³ C rispetto alla dieta. ^[49]

Poiché il ¹³ C costituisce circa l'1% del carbonio, il rapporto ¹³ C/¹² C può essere misurato con precisione mediante spettrometria di massa. ^[22] Valori tipici di δ ¹³ C sono stati trovati sperimentalmente per molte piante, così come per diverse parti di animali come il collagene osseo, ma quando si datano un dato campione è meglio determinare direttamente il valore di ¹³ C δ per quel campione piuttosto che fare affidamento sui valori pubblicati. ^[45]

Anche lo scambio di carbonio tra la CO ₂ atmosferica e il carbonato sulla superficie dell'oceano è soggetto a frazionamento, con ¹⁴ C nell'atmosfera che hanno più probabilità di dissolversi nell'oceano rispetto a ¹² C. Il risultato è un aumento complessivo del rapporto ¹⁴ C/¹² C nell'oceano dell'1,5%, rispetto al rapporto ¹⁴ C/¹² C nell'atmosfera. Questo aumento della concentrazione di ¹⁴ C annulla quasi esattamente la diminuzione causata dalla risalita dell'acqua (contenente carbonio vecchio, quindi impoverito di ¹⁴ C) dall'oceano profondo; quindi le misurazioni dirette della radiazione ¹⁴ C sono simili alle misurazioni per il resto della biosfera. La correzione del frazionamento isotopico, come avviene per tutte le datazioni al radiocarbonio per consentire il confronto tra i risultati provenienti da diverse parti della biosfera, fornisce un'età apparente di circa 400 anni per le acque superficiali dell'oceano. ^{[22] [37]}

Effetti del serbatoio

di scorta L'ipotesi originale del serbatoio di scambio di Libby assumeva che il rapporto ¹⁴ C/¹² C nel serbatoio di scambio fosse costante dappertutto [^50] ma da allora si è scoperto che ci sono diverse cause di variazione nel rapporto attraverso il serbatoio. ^[36]

Effetto marino

La CO ₂ nell'atmosfera si trasferisce all'oceano dissolvendosi nell'acqua superficiale come ioni carbonato e bicarbonato; allo stesso tempo gli ioni carbonato nell'acqua ritornano nell'aria come CO ₂ . ^[50] Questo processo di scambio porta ¹⁴ C dall'atmosfera nelle acque superficiali dell'oceano, ma il ¹⁴ C così introdotto impiega molto tempo a percolare attraverso l'intero volume dell'oceano. Le parti più profonde dell'oceano si mescolano molto lentamente con le acque superficiali e il rimescolamento è irregolare. Il meccanismo principale che porta l'acqua profonda in superficie è l'upwelling, che è più comune nelle regioni più vicine all'equatore. L'upwelling è influenzato anche da fattori quali la topografia del fondo oceanico e delle coste locali, il clima e i modelli dei venti. Nel complesso, il mescolamento delle acque profonde e superficiali richiede molto più tempo del mescolamento della CO ₂ atmosferica con le acque superficiali, e di conseguenza l'acqua di alcune aree oceaniche profonde ha un'età radiocarbonica apparente di diverse migliaia di anni. La risalita mescola quest'acqua "vecchia" con l'acqua superficiale, conferendo all'acqua superficiale un'età apparente di circa diverse centinaia di anni (dopo la correzione per il frazionamento). ^[36] Questo effetto non è uniforme: l'effetto medio è di circa 400 anni, ma ci sono deviazioni locali di diverse centinaia di anni per le aree geograficamente vicine tra loro. ^{[36] [37]} Queste deviazioni possono essere prese in considerazione nella calibrazione e gli utenti di software come CALIB possono fornire come input la correzione appropriata per la posizione dei loro campioni. ^[15] L'effetto si applica anche agli organismi marini come le conchiglie e ai mammiferi marini come balene e foche, che hanno un'età radiocarbonica che sembra avere centinaia di anni. ^[36]

Effetto emisfero

Gli emisferi nord e sud hanno sistemi di circolazione atmosferica che sono sufficientemente indipendenti l'uno dall'altro che c'è un notevole ritardo nel mescolamento tra i due. Il rapporto atmosferico ¹⁴ C/¹² C è più basso nell'emisfero australe, con un'età apparente aggiuntiva di circa 40 anni per i risultati del radiocarbonio dal sud rispetto al nord. ^{[nota 11]} Questo perché la maggiore superficie dell'oceano nell'emisfero australe significa che c'è più carbonio scambiato tra l'oceano e l'atmosfera che nel nord. Poiché la superficie dell'oceano si esaurisce in ¹⁴ C a causa dell'effetto marino, ¹⁴ Il C viene rimosso dall'atmosfera meridionale più rapidamente che nel nord. ^{[36] [51]} L'effetto è rafforzato da una forte risalita intorno all'Antartide. ^[12]

Altri effetti

Se il carbonio nell'acqua dolce è in parte acquisito da carbonio invecchiato, come le rocce, allora il risultato sarà una riduzione del rapporto ¹⁴ C/¹² C nell'acqua. Ad esempio, i fiumi che passano sopra il calcare, che è composto principalmente da carbonato di calcio, acquisiscono ioni carbonato. Allo stesso modo, le acque sotterranee possono contenere carbonio derivato dalle rocce attraverso le quali sono passate. Queste rocce sono di solito così vecchie da non contenere più ^{alcun 14} C misurabile, quindi questo carbonio abbassa il rapporto ¹⁴ C / ¹² C dell'acqua in cui entra, il che può portare a un'età apparente di migliaia di anni sia per l'acqua colpita che per le piante e organismi d'acqua dolce che vi abitano. ^[22] Questo è noto come effetto dell'acqua dura perché è spesso associato agli ioni calcio, che sono caratteristici dell'acqua dura; Altre fonti di carbonio come l'humus possono produrre risultati simili e possono anche ridurre l'età apparente se sono di origine più recente rispetto al campione. ^[36] L'effetto varia notevolmente e non esiste un offset generale che può essere applicato; Di solito sono necessarie ulteriori ricerche per determinare la dimensione dell'offset, ad esempio confrontando l'età radiocarbonica delle conchiglie d'acqua dolce depositate con il materiale organico associato. ^[52]

Le eruzioni vulcaniche emettono grandi quantità di carbonio nell'aria. Il carbonio è di origine geologica e non ha ¹⁴ C rilevabili, quindi il rapporto ¹⁴ C/¹² C vicino al vulcano è depresso rispetto alle aree circostanti. Anche i vulcani dormienti possono emettere carbonio invecchiato. Le piante che fotosintetizzano questo carbonio hanno anche rapporti più bassi di ¹⁴ C/¹² C: ad esempio, le piante nelle vicinanze della caldera di Furnas nelle Azzorre hanno un'età apparente che varia da 250 anni a 3320 anni. ^[53]

Contaminazione

Qualsiasi aggiunta di carbonio a un campione di età diversa causerà l'imprecisione della data misurata. La contaminazione con carbonio moderno fa sì che un campione appaia più giovane di quanto non sia in realtà: l'effetto è maggiore per i campioni più vecchi. Se un campione che ha 17.000 anni è contaminato in modo che l'1% del campione sia carbonio moderno, sembrerà essere 600 anni più giovane; Per un campione che ha 34.000 anni, la stessa quantità di contaminazione causerebbe un errore di 4.000 anni. La contaminazione con carbonio vecchio, senza ¹⁴ C rimanenti, provoca un errore nella direzione opposta indipendentemente dall'età: un campione contaminato con l'1% di carbonio vecchio sembrerà avere circa 80 anni più vecchio di quanto non sia in realtà, indipendentemente dalla data del campione. ^[54]

I

campioni per la datazione devono essere convertiti in una forma adatta a misurare il contenuto di ¹⁴ C; questo può significare la conversione in forma gassosa, liquida o solida, a seconda della tecnica di misurazione da utilizzare. Prima di poter fare ciò, il campione deve essere trattato per rimuovere qualsiasi contaminazione e qualsiasi componente indesiderato. ^[55] Ciò include la rimozione di contaminanti visibili, come le radichette che potrebbero essere penetrate nel campione dopo la sua sepoltura. ^[55] I lavaggi alcalini e acidi possono essere utilizzati per rimuovere la contaminazione da acido umico e carbonato, ma è necessario prestare attenzione per evitare di rimuovere la parte del campione che contiene il carbonio da testare. ^[56]

• È comune ridurre un campione di legno al solo componente di cellulosa prima del test, ma poiché ciò può ridurre il volume del campione al 20% della sua dimensione originale, spesso viene eseguito anche il test dell'intero legno. Il carbone viene spesso testato, ma è probabile che necessiti di un trattamento per rimuovere i contaminanti. ^L'osso
• incombusto può essere testato; è usuale datarlo utilizzando il collagene, la frazione proteica che rimane dopo aver lavato via il materiale strutturale dell'osso. L'idrossiprolina, uno degli amminoacidi costituenti nelle ossa, un tempo si pensava che fosse un indicatore affidabile in quanto non era nota per essere presente se non nelle ossa, ma da allora è stata rilevata nelle acque sotterranee. ^[55]
• Per l'osso bruciato, la testabilità dipende dalle condizioni in cui l'osso è stato bruciato. Se l'osso è stato riscaldato in condizioni riducenti, esso (e la materia organica associata) potrebbe avere sono stati carbonizzati. In questo caso, il campione è spesso utilizzabile. ^[55]
• Le conchiglie degli organismi marini e terrestri sono costituite quasi interamente da carbonato di calcio, sia come aragonite che come calcite, o una miscela dei due. Il carbonato di calcio è molto suscettibile alla dissoluzione e alla ricristallizzazione; Il materiale ricristallizzato conterrà carbonio proveniente dall'ambiente del campione, che potrebbe essere di origine geologica. Se il test del guscio ricristallizzato è inevitabile, a volte è possibile identificare il materiale originale del guscio da una sequenza di test. ^[57] È anche possibile testare la conchiolina, una proteina organica presente nel guscio, ma costituisce solo l'1-2% del materiale del guscio. ^[56]
• I tre componenti principali della torba sono l'acido umico, le umine e l'acido fulvico. Di queste, le umine forniscono la data più affidabile in quanto sono insolubili in alcali e hanno meno probabilità di contenere contaminanti dall'ambiente del campione. ^[56] Una particolare difficoltà con la torba essiccata è la rimozione delle radichette, che probabilmente saranno difficili da distinguere dal materiale del campione. ^[55]
• Il suolo contiene materiale organico, ma a causa della probabilità di contaminazione da acido umico di origine più recente, è molto difficile ottenere datazioni radiocarboniche soddisfacenti. È preferibile setacciare il terreno alla ricerca di frammenti di origine organica e datare i frammenti con metodi tolleranti a campioni di piccole dimensioni. ^[56]
• Altri materiali che sono stati datati con successo includono avorio, carta, tessuti, singoli semi e grani, paglia all'interno di mattoni di fango e resti di cibo carbonizzato trovati nella ceramica. ^[56]

Preparazione e dimensioni

In particolare per i campioni più vecchi, può essere utile arricchire la quantità di ¹⁴ C nel campione prima del test. Questo può essere fatto con una colonna di diffusione termica. Il processo dura circa un mese e richiede un campione circa dieci volte più grande di quello che sarebbe altrimenti necessario, ma consente una misurazione più precisa del rapporto ¹⁴ C/¹² C in materiale vecchio e prolunga l'età massima che può essere riportata in modo affidabile. ^[58]

Una volta rimossa la contaminazione, i campioni devono essere convertiti in una forma adatta alla tecnologia di misurazione da utilizzare. ^[59] Dove è richiesto il gas, la CO ₂ è ampiamente utilizzata. ^{[59] [60]} Affinché i campioni possano essere utilizzati nei contatori a scintillazione liquida, il carbonio deve essere in forma liquida; Il campione viene tipicamente convertito in benzene. Per la spettrometria di massa con acceleratore, i bersagli di grafite solida sono i più comuni, sebbene possa essere utilizzata anche la CO ₂ gassosa. ^{[59] [61]}

La quantità di materiale necessaria per il test dipende dal tipo di campione e dalla tecnologia utilizzata. Esistono due tipi di tecnologia di test: i rivelatori che registrano la radioattività, noti come contatori beta, e gli spettrometri di massa con acceleratore. Per i contatori beta, in genere è richiesto un campione del peso di almeno 10 grammi (0,35 once). ^[59] La spettrometria di massa con acceleratore è molto più sensibile e possono essere utilizzati campioni contenenti fino a 0,5 milligrammi di carbonio. ^[62]

Misurazioni e risultati

Per decenni dopo che Libby eseguì i primi esperimenti di datazione al radiocarbonio, l'unico modo per misurare il ¹⁴ C in un campione era quello di rilevare il decadimento radioattivo dei singoli atomi di carbonio. ^[59] In questo approccio, ciò che viene misurato è l'attività, in numero di eventi di decadimento per unità di massa per periodo di tempo, del campione. ^[60] Questo metodo è noto anche come "conteggio beta", perché sono le particelle beta emesse dal ^{decadimento del 14} C che vengono rilevate. ^[63] Alla fine degli anni '70 divenne disponibile un approccio alternativo: contare direttamente il numero di ^{atomi di 14} C e ¹² C in un dato campione, tramite spettrometria di massa con acceleratore, solitamente indicata come AMS. ^[59] L'AMS conta direttamente il rapporto ¹⁴ C/¹² C, invece dell'attività del campione, ma le misurazioni dell'attività e il rapporto ¹⁴ C/¹² C possono essere convertiti esattamente l'uno nell'altro. ^[60] Per qualche tempo, i metodi di conteggio beta sono stati più accurati dell'AMS, ma ora lo è più ed è diventato il metodo preferito per le misure al radiocarbonio. ^{[64] [65]} Oltre a una maggiore precisione, AMS ha due ulteriori vantaggi significativi rispetto al conteggio beta: può eseguire test accurati su campioni troppo piccoli per il conteggio beta ed è molto più veloce: un'accuratezza dell'1% può essere raggiunta in pochi minuti con AMS, che è molto più veloce di quanto sarebbe possibile ottenere con la tecnologia precedente. ^[66]

Conteggio beta

Il primo rivelatore di Libby era un contatore Geiger di sua progettazione. Ha convertito il carbonio nel suo campione in nero lampada (fuliggine) e ne ha rivestito la superficie interna di un cilindro. Questo cilindro è stato inserito nel contatore in modo tale che il filo di conteggio si trovasse all'interno del cilindro del campione, in modo che non ci fosse materiale tra il campione e il filo. ^[59] Qualsiasi materiale interposto avrebbe interferito con la rilevazione della radioattività, poiché le particelle beta di ¹⁴ C sono così deboli che la metà viene fermata da 0,01 mm (0,00039 pollici) spessore dell'alluminio. ^[60]

Il metodo di Libby fu presto sostituito dai contatori proporzionali a gas, che erano meno influenzati dal carbonio delle bombe (i ¹⁴ C aggiuntivi creati dai test nucleari). Questi contatori registrano esplosioni di ionizzazione causate dalle particelle beta emesse dal ¹⁴ C; Le esplosioni sono proporzionali all'energia della particella, quindi altre fonti di ionizzazione, come la radiazione di fondo, possono essere identificate e ignorate. I contatori sono circondati da schermature in piombo o acciaio, per eliminare la radiazione di fondo e ridurre l'incidenza dei raggi cosmici. Inoltre, vengono utilizzati rilevatori anticoincidenti; Questi eventi registrati all'esterno del contatore e qualsiasi evento registrato contemporaneamente sia all'interno che all'esterno del contatore viene considerato un evento estraneo e ignorato. ^[60]

L'altra tecnologia comune utilizzata per misurare l'attività a ¹⁴ C è il liquido il conteggio a scintillazione, che è stato inventato nel 1950, ma che ha dovuto attendere fino ai primi anni '60, quando sono stati sviluppati metodi efficienti di sintesi del benzene, per diventare competitivo con il conteggio dei gas; Dopo il 1970 i contatori di liquidi divennero la scelta tecnologica più comune per i laboratori di datazione di nuova costruzione. I contatori funzionano rilevando lampi di luce causati dalle particelle beta emesse dal ¹⁴ C mentre interagiscono con un agente fluorescente aggiunto al benzene. Come i contatori di gas, i contatori a scintillazione liquida richiedono una schermatura e contatori anticoincidenti. ^{[67] [68]}

Sia per il contatore proporzionale del gas che per il contatore a scintillazione liquida, ciò che viene misurato è il numero di particelle beta rilevate in un dato periodo di tempo. Poiché la massa del campione è nota, questa può essere convertita in una misura standard dell'attività in unità di entrambi i conteggi al minuto per grammo di carbonio (cpm/g C), o becquerel per kg (Bq/kg C, in unità SI). Ogni dispositivo di misurazione viene utilizzato anche per misurare l'attività di un campione bianco: un campione preparato da carbonio abbastanza vecchio da non avere attività. Ciò fornisce un valore per la radiazione di fondo, che deve essere sottratto dall'attività misurata del campione datato per ottenere l'attività attribuibile esclusivamente ai ¹⁴ C di quel campione. Inoltre, viene misurato un campione con un'attività standard, per fornire una linea di base per il confronto. ^[69]

Spettrometria

di massa con

acceleratore AMS conta gli atomi di ¹⁴ C e ¹² C in un dato campione, determinando direttamente il rapporto ¹⁴ C/¹² C. Il campione, spesso sotto forma di grafite, viene fatto per emettere ioni C⁻ (atomi di carbonio con una singola carica negativa), che vengono iniettati in un acceleratore. Gli ioni vengono accelerati e fatti passare uno stripper, che rimuove diversi elettroni in modo che gli ioni emergano con una carica positiva. Gli ioni, che possono avere da 1 a 4 cariche positive (da C⁺ a C ⁴⁺ ), a seconda del design dell'acceleratore, vengono poi fatti passare attraverso un magnete che curva il loro percorso; Gli ioni più pesanti sono curvi meno di quelli più leggeri, quindi i diversi isotopi emergono come flussi separati di ioni. Un rivelatore di particelle registra quindi il numero di ioni rilevati nel flusso di ¹⁴ C, ma poiché il volume di ¹² C (e ¹³ C, necessari per la calibrazione) è troppo grande per il rilevamento di singoli ioni, i conteggi vengono determinati misurando la corrente elettrica creata in una tazza di Faraday. ^[70] La grande carica positiva indotta dallo stripper costringe molecole come il ¹³
CH, che ha un peso abbastanza vicino a ¹⁴ C da interferire con le misurazioni, a dissociarsi, quindi sono non rilevato. ^[71] La maggior parte delle macchine AMS misura anche l'δ del campione a ¹³ C, per l'uso nel calcolo dell'età radiocarbonica del campione. ^[72] L'uso dell'AMS, al contrario delle forme più semplici di spettrometria di massa, è necessario a causa della necessità di distinguere gli isotopi del carbonio da altri atomi o molecole che sono molto vicini in massa, come ¹⁴ N e ¹³
CH. ^[59] Come per il conteggio beta, vengono utilizzati sia campioni bianchi che campioni standard. ^[70] Possono essere misurati due diversi tipi di bianco: un campione di carbonio morto che non ha subito alcun trattamento chimico, per rilevare qualsiasi fondo della macchina, e un campione noto come bianco di processo costituito da carbonio morto che viene trasformato in materiale target esattamente allo stesso modo del campione che viene datato. È probabile che venga causato qualsiasi segnale a ¹⁴ C dallo spazio vuoto di sfondo della macchina sia da fasci di ioni che non hanno seguito il percorso previsto all'interno del rivelatore sia da idruri di carbonio come ¹²
CH
₂ o ¹³
CH. Un segnale a ¹⁴ C dal bianco di processo misura la quantità di contaminazione introdotta durante la preparazione del campione. Queste misurazioni vengono utilizzate nel successivo calcolo dell'età del campione. ^[73]

Articolo

principale: Calcolo delle datazioni al radiocarbonio

I calcoli da eseguire sulle misurazioni effettuate dipendono dalla tecnologia utilizzata, poiché i contatori beta misurano la radioattività del campione mentre l'AMS determina il rapporto tra i tre diversi isotopi del carbonio nel campione.

Per determinare l'età di un campione la cui attività è stata misurata mediante conteggio beta, il rapporto tra la sua attività e l'attività dello standard deve essere fondare. Per determinarlo, viene misurato un campione bianco (di carbonio vecchio o morto) e viene misurato un campione di attività nota. I campioni aggiuntivi consentono di rilevare e correggere errori come la radiazione di fondo e gli errori sistematici nella configurazione del laboratorio. ^[69] Il materiale campione standard più comune è l'acido ossalico, come lo standard HOxII, di cui 1.000 libbre (450 kg) è stato preparato dal National Institute of Standards and Technology (NIST) nel 1977 da raccolti di barbabietole francesi. ^{[74] [75]}

I risultati dei test AMS sono sotto forma di rapporti di ¹² C, ¹³ C e ¹⁴ C, che vengono utilizzati per calcolare Fm, la "frazione moderna". Questo è definito come il rapporto tra il rapporto ¹⁴ C/ ¹² C nel campione e il rapporto ¹⁴ C/ ¹² C nel carbonio moderno, che è a sua volta definito come il rapporto ¹⁴ C/¹² C che sarebbe stato misurato nel 1950 se non ci fosse stato l'effetto dei combustibili fossili. ^[73]

Sia il conteggio beta che i risultati dell'AMS devono essere corretti per il frazionamento. Ciò è necessario perché materiali diversi della stessa età, che a causa del frazionamento hanno rapporti ¹⁴ C/¹² C naturalmente diversi, appariranno di età diverse perché il rapporto ¹⁴ C/¹² C è preso come indicatore dell'età. Per evitare ciò, tutte le misurazioni al radiocarbonio vengono convertite nella misura che si sarebbe vista se il campione fosse stato fatto di legno, che ha un valore noto di ^{δ 13} C di -25‰. ^[23]

Una volta che il rapporto ^{corretto 14} C/¹² C è noto, viene calcolata una "età radiocarbonica" utilizzando: ^[76]

Il calcolo utilizza 8.033 anni, la vita media derivato dall'emivita di Libby di 5.568 anni, non di 8.267 anni, la vita media derivata dal più accurato valore moderno di 5.730 anni. Il valore di Libby per l'emivita viene utilizzato per mantenere la coerenza con i primi risultati dei test al radiocarbonio; Le curve di calibrazione includono una correzione per questo, in modo da garantire l'accuratezza delle età di calendario finali riportate. ^[76]

Errori e affidabilità

L'affidabilità dei risultati può essere migliorata allungando i tempi di test. Ad esempio, se il conteggio dei decadimenti beta per 250 minuti è sufficiente per ottenere un errore di ± 80 anni, con un'affidabilità del 68%, raddoppiando il tempo di conteggio a 500 minuti sarà possibile misurare un campione con solo la metà di ¹⁴ C con lo stesso termine di errore di 80 anni. ^[77]

La datazione al radiocarbonio è generalmente limitata alla datazione di campioni non più vecchi di 50.000 anni, poiché i campioni più vecchi di ¹⁴ C insufficiente per essere misurabile. Le date più antiche sono state ottenute utilizzando speciali tecniche di preparazione dei campioni, campioni di grandi dimensioni e tempi di misurazione molto lunghi. Queste tecniche possono consentire la misurazione di date fino a 60.000 e in alcuni casi fino a 75.000 anni prima del presente. ^[64]

Le datazioni al radiocarbonio sono generalmente presentate con un intervallo di una deviazione standard (solitamente rappresentata dalla lettera greca sigma come 1σ) su entrambi i lati della media. Tuttavia, un intervallo di date di 1σ rappresenta solo un livello di confidenza del 68%, quindi l'età reale dell'oggetto misurato potrebbe essere al di fuori dell'intervallo di date citato. Ciò è stato dimostrato nel 1970 da un esperimento condotto dal laboratorio di radiocarbonio del British Museum, in cui sono state effettuate misurazioni settimanali sullo stesso campione per sei mesi. I risultati variavano ampiamente (anche se coerentemente con una normale distribuzione degli errori nelle misurazioni) e includevano più intervalli di date (di 1σ di confidenza) che non si sovrapponevano tra loro. Le misurazioni includevano una con un intervallo da circa 4.250 a circa 4.390 anni fa e un'altra con un intervallo da circa 4.520 a circa 4.690. ^[78]

Errori nella procedura possono anche portare a errori nei risultati. Se l'1% del benzene in un campione di riferimento moderno evapora accidentalmente, il conteggio a scintillazione darà un'età radiocarbonica troppo giovane di circa 80 anni. ^[79]

Articolo

principale: Calibrazione

al radiocarbonio

I calcoli sopra riportati producono date in anni radiocarbonici: cioè date che rappresentano l'età che il campione avrebbe se il rapporto ¹⁴ C/¹² C fosse stato storicamente costante. ^[80] Sebbene Libby avesse sottolineato già nel 1955 la possibilità che questa ipotesi fosse errata, non è stato fino a quando Le discrepanze cominciarono ad accumularsi tra le età misurate e le date storiche conosciute per i manufatti che divenne chiaro che sarebbe stata necessaria una correzione alle età radiocarboniche per ottenere le date del calendario. ^[81]

Per produrre una curva che possa essere utilizzata per mettere in relazione gli anni solari con gli anni radiocarbonici, è necessaria una sequenza di campioni datati in modo sicuro che possono essere analizzati per determinare la loro età radiocarbonica. Lo studio degli anelli degli alberi ha portato alla prima sequenza di questo tipo: i singoli pezzi di legno mostrano sequenze caratteristiche di anelli che variano di spessore a causa di fattori ambientali come la quantità di precipitazioni in un dato anno. Questi fattori influenzano tutti gli alberi in un'area, quindi l'esame delle sequenze degli anelli degli alberi dal legno vecchio consente l'identificazione di sequenze sovrapposte. In questo modo, una sequenza ininterrotta di anelli degli alberi può essere estesa nel lontano passato. La prima sequenza di questo tipo pubblicata, basata su un pino setoloso anelli, è stato creato da Wesley Ferguson. ^[41] Hans Suess utilizzò questi dati per pubblicare la prima curva di calibrazione per la datazione al radiocarbonio nel 1967. ^{[39] [40] [81]} La curva mostrava due tipi di variazione dalla linea retta: una fluttuazione a lungo termine con un periodo di circa 9.000 anni e una variazione a breve termine, spesso indicata come "oscillazioni", con un periodo di decenni. Suess ha detto di aver tracciato la linea che mostra le oscillazioni per "schwung cosmico", con il che intendeva che le variazioni erano causate da forze extraterrestri. Per un po' di tempo non è stato chiaro se le oscillazioni fossero reali o meno, ma ora sono ben consolidate. ^{[39] [40] [82]} Queste fluttuazioni a breve termine nella curva di calibrazione sono ora note come effetti di de Vries, da Hessel de Vries. ^[83]

Una calibrazione La curva viene utilizzata prendendo la data al radiocarbonio riportata da un laboratorio e leggendo a partire da tale data sull'asse verticale del grafico. Il punto in cui questa linea orizzontale interseca la curva darà l'età di calendario del campione sull'asse orizzontale. Questo è l'inverso del modo in cui è costruita la curva: un punto sul grafico è derivato da un campione di età nota, come un anello di un albero; Quando viene testato, l'età radiocarbonica risultante fornisce un punto di dati per il grafico. ^[42]

Nel corso dei successivi trent'anni sono state pubblicate molte curve di calibrazione utilizzando una varietà di metodi e approcci statistici. ^[42] Queste sono state sostituite dalla serie di curve IntCal, a partire da IntCal98, pubblicato nel 1998 e aggiornato nel 2004, 2009, 2013 e 2020. ^[84] I miglioramenti a queste curve si basano su nuovi dati raccolti dagli anelli degli alberi, Varve, Corallo, Pianta macrofossili, speleotemi e foraminiferi. Ci sono curve separate per l'emisfero settentrionale (IntCal20) e l'emisfero meridionale (SHCal20), poiché differiscono sistematicamente a causa dell'effetto emisfero. La sequenza continua di datazioni degli anelli degli alberi per l'emisfero settentrionale risale a 13.910 BP a partire dal 2020, e questo fornisce una datazione vicina alla datazione annuale per IntCal20 per gran parte del periodo, ridotta dove ci sono plateau di calibrazione e aumentata quando picchi a breve termine di ¹⁴ C dovuti agli eventi di Miyake forniscono un'ulteriore correlazione. La datazione al radiocarbonio precedente alla sequenza continua degli anelli degli alberi si basa sulla correlazione con registrazioni più approssimative. ^[85] SHCal20 si basa su dati indipendenti, ove possibile, e deriva dalla curva settentrionale aggiungendo l'offset medio per l'emisfero meridionale dove non erano disponibili dati diretti. C'è anche una curva di calibrazione marina separata, MARINE20. ^{[86] [87]} Per un insieme di campioni che formano una sequenza con una separazione nota nel tempo, questi campioni formano un sottoinsieme della curva di calibrazione. La sequenza può essere confrontata con la curva di calibrazione e la migliore corrispondenza con la sequenza stabilita. Questa tecnica di "wiggle-matching" può portare a una datazione più precisa di quanto sia possibile con le singole datazioni al radiocarbonio. ^[88] La corrispondenza delle oscillazioni può essere utilizzata in luoghi in cui c'è un plateau sulla curva di calibrazione, ^{[nota 12]} e quindi può fornire una data molto più accurata di quella che i metodi di intercettazione o di probabilità sono in grado di produrre. ^[90] La tecnica non si limita agli anelli degli alberi; ad esempio, una sequenza di tefra stratificata in Nuova Zelanda, che si ritiene sia precedente alla colonizzazione umana delle isole, è stata datata al 1314 d.C. ± 12 anni mediante wiggle-matching. ^[91] Le oscillazioni significano anche che la lettura di una data Da una curva di calibrazione può dare più di una risposta: ciò si verifica quando la curva oscilla su e giù abbastanza da far sì che l'età radiocarbonica intercetti la curva in più di un punto, il che può portare a riportare un risultato radiocarbonico come due intervalli di età separati, corrispondenti alle due parti della curva che l'età radiocarbonica ha intercettato. ^[42]

Le tecniche statistiche bayesiane possono essere applicate quando ci sono diverse datazioni al radiocarbonio da calibrare. Ad esempio, se una serie di date al radiocarbonio viene presa da diversi livelli in una sequenza stratigrafica, l'analisi bayesiana può essere utilizzata per valutare le date che sono anomale e può calcolare distribuzioni di probabilità migliorate, sulla base dell'informazione precedente che la sequenza deve essere ordinata nel tempo. ^[88] Quando è stata introdotta l'analisi bayesiana, il suo uso è stato limitato dalla necessità di utilizzare computer mainframe per eseguire i calcoli, ma il da allora è stata implementata su programmi disponibili per personal computer, come OxCal. ^[92]

Date di comunicazione

Sono

stati utilizzati diversi formati per citare i risultati del radiocarbonio da quando sono stati datati i primi campioni. A partire dal 2019, il formato standard richiesto dalla rivista Radiocarbon è il seguente. ^[93]

Le date non calibrate devono essere riportate come ": ± BP", dove:

• identifica il laboratorio che ha analizzato il campione, e l'ID del campione
• è la determinazione del laboratorio dell'età del campione, in anni radiocarbonici
• è la stima del laboratorio dell'errore nell'età, con una confidenza di 1σ.
• "BP" sta per "prima del presente", riferendosi a una data di riferimento del 1950, così che "500 BP" significa l'anno 1450 d.C.

Ad esempio, la data non calibrata "UtC-2020: 3510 ± 60 BP" indica che il campione è stato testato da l'Utrecht van der Graaff Laboratorium ("UtC"), dove ha un numero campione di "2020", e che l'età non calibrata è di 3510 anni prima del presente, ± 60 anni. A volte vengono utilizzate forme correlate: ad esempio, "2,3 ka BP" significa 2.300 anni radiocarbonici prima del presente (cioè 350 a.C.), e "¹⁴ C anno BP" potrebbe essere usato per distinguere la data non calibrata da una data derivata da un altro metodo di datazione come la termoluminescenza. ^[93]

Le date calibrate a ¹⁴ C sono spesso riportate come "cal BP", "cal BC" o "cal AD", sempre con "BP" che si riferisce all'anno 1950 come data zero. ^[94] Il radiocarbonio offre due opzioni per la segnalazione delle date calibrate. Un formato comune è "cal ", dove:

• è l'intervallo di date corrispondente al livello di confidenza dato
• indica il livello di confidenza per l'intervallo di date dato.

Ad esempio, "cal 1220–1281 "AD (1σ)" indica una data calibrata per la quale la data vera è compresa tra il 1220 d.C. e il 1281 d.C., con un livello di confidenza di "1 sigma", ovvero circa il 68%. Le date calibrate possono anche essere espresse come "BP" invece di utilizzare "BC"/"AD". La curva utilizzata per calibrare i risultati deve essere l'ultima curva IntCal disponibile. Le date calibrate dovrebbero anche identificare eventuali programmi, come OxCal, utilizzati per eseguire la calibrazione. ^[93] Inoltre, un articolo su Radiocarbon