Il 17 dicembre 1908, Willard Frank Libby nacque in una fattoria di Grand Valley, Colorado. Libby, un chimico fisico, vinse il premio Nobel per la chimica nel 1960 per il suo sviluppo della tecnica nota come datazione al radiocarbonio. Questa tecnica utilizza il decadimento di un isotopo instabile del carbonio, il carbonio-14 radioattivo (C14), per determinare l’età dei materiali organici – qualsiasi cosa composta da materia un tempo vivente. Gli oggetti databili al carbonio, che generalmente vanno da poche centinaia a 60.000 anni, possono essere i più disparati come la suola di un sandalo antico, le carote di ghiaccio glaciale, i rotoli del Mar Morto o le mummie dalla tomba di un faraone egiziano. La datazione al radiocarbonio ha avuto un impatto così profondo su molti rami delle scienze umane, tra cui l’archeologia, la geologia, la storia, la geofisica e la conservazione, che la sua scoperta è stata chiamata “la rivoluzione del radiocarbonio”.
Negli anni ’40, i ricercatori sapevano già che quando la radiazione cosmica entra nell’atmosfera superiore della terra si scontra con i gas ivi presenti per produrre docce di neutroni. Sapevano anche che alcuni di questi neutroni fluttuanti vengono a loro volta assorbiti da atomi di azoto, che nel processo vengono trasformati in C14 (l’isotopo più comune è il carbonio-12). Il C14 è instabile e decadrà di nuovo in azoto nel tempo – l’emissione di particelle beta durante questa seconda trasformazione è il processo che lo rende radioattivo.
Il risultato di Libby è stato quello di riconoscere che il C14 si sposta dall’atmosfera alla biosfera attraverso una serie di passaggi aggiuntivi:
- il C14 appena prodotto si ossida per formare anidride carbonica (CO2), un componente comune dell’atmosfera;
- le piante assorbono molecole di anidride carbonica attraverso la fotosintesi, convertendo gli atomi di carbonio in zucchero e rilasciando l’ossigeno nell’aria;
- le piante, direttamente o indirettamente, vengono digerite da tutti gli organismi viventi.
Quindi, concludeva Libby, tutti gli organismi viventi contengono una piccola quantità di C14. Ma ha anche riconosciuto che l’assorbimento del carbonio cessa quando un organismo muore. Poiché il C14 decade nel tempo, gli oggetti organici che non sono più viventi contengono percentuali sempre più piccole di C14 più invecchiano. Libby fu in grado di confrontare la quantità di C14 rimanente in un oggetto con la quantità trovata originariamente nell’atmosfera per determinare l’età di quell’oggetto.
Negli anni ’50, Libby e altri costruirono contatori Geiger sempre più sensibili per misurare la radioattività degli oggetti organici. Il calcolo dell’età si basava sull’emivita del C14: dopo 5.730 anni circa il 50% della quantità originale di C14 sarà ancora presente in un oggetto. Tra gli oggetti che Libby ha testato e datato con successo c’erano sterco di bradipo preistorico, carbone di legna da Stonehenge e gli involucri di pergamena dei Rotoli del Mar Morto. Libby fu in grado di verificare ulteriormente la sua teoria eseguendo test al radiocarbonio su oggetti la cui data era già nota da altre fonti.
Willard Libby ricevette un dottorato di ricerca in chimica all’Università della California, Berkeley, nel 1933 e vi rimase ad insegnare fino a quando non si unì al Progetto Manhattan quando gli Stati Uniti entrarono nella Seconda Guerra Mondiale. Dopo la guerra, Libby divenne professore di chimica all’Università di Chicago, dove condusse le sue ricerche rivoluzionarie; il suo libro Radiocarbon Dating fu pubblicato nel 1952. Libby fu nominato dal presidente Dwight Eisenhower alla Commissione per l’Energia Atomica nel 1954. Poco prima di vincere il Premio Nobel, tornò all’insegnamento e alla ricerca alla UCLA; morì nel 1980.
Con ulteriori ricerche, gli scienziati hanno continuato a perfezionare le tecniche di datazione al radiocarbonio. In realtà, i livelli di C14 nell’atmosfera sono stati simili, ma non del tutto costanti, nel tempo. I cambiamenti nei campi magnetici della terra e del sole possono influenzare l’intensità della radiazione cosmica, mentre i livelli di anidride carbonica nell’atmosfera fluttuano naturalmente o a causa della combustione di combustibili fossili. I test sulle armi nucleari negli anni ’50 e nei primi anni ’60 hanno aumentato la quantità di C14 nell’atmosfera fino a quasi il doppio del suo livello naturale. Per tenere conto di queste fluttuazioni, sono state create delle curve di calibrazione basate sulla dendrocronologia (datazione degli anelli degli alberi) che risalgono a migliaia di anni fa.
Sviluppato negli anni ’80, la spettrometria di massa con acceleratore esterno (AMS) è un metodo che separa gli atomi di un campione di carbonio in base al peso atomico. Ciò significa che la percentuale di C14 in un campione può essere misurata direttamente, piuttosto che sulla base del decadimento radioattivo. L’AMS permette la misurazione di campioni molto piccoli, il che consente la datazione di oggetti di musei e biblioteche senza distruggerli.