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La datazione delle rocce

Conoscere l’età delle rocce è una informazione molto importante per gli studiosi della Terra, infatti grazie ad essa i geologi riescono a decifrare molti processi che hanno interessato il nostro pianeta.

Prima di vedere il metodo che viene usato per datare le rocce, facciamo un piccolo ripasso sulla struttura di un atomo e sul decadimento radioattivo.

La struttura di un atomo

Un atomo è formato da un nucleo nel quale ci sono due tipi di particelle: i protoni e i neutroni. Attorno al nucleo ruotano gli elettroni. Il protone ha carica elettrica positiva (si indica con p+) mentre i neutroni hanno carica neutra (i neutroni si indicano con n).

Gli elettroni invece hanno carica elettrica negativa e si indicano con e.

L’atomo è elettricamente neutro, perchè il numero di protoni (numero atomico, indicata con Z) è uguale a quello degli elettroni. Una caratteristica molto importante degli atomi è la massa atomica (che si indica con A), ovvero la somma tra protoni e neutroni.

Gli atomi dei diversi elementi presenti in natura si distinguono tra di loro per il diverso numero di protoni.

Quando il nucleo di un elemento tende spontaneamente a raggiungere uno stato stabile attraverso l’emissione di una o più particelle. In questo caso si parla di isotopo: un isotopo è un atomo che ha massa atomica diversa rispetto ad un altro atomo dello stesso elemento; due isotopi hanno quindi lo stesso numero di protoni (cioè lo stesso numero atomico) ma diverso numero di neutroni.

Molti degli isotopi esistenti in natura sono stabili, però alcuni isotopi naturali e buona parte degli isotopi artificiali sono instabili. Tale instabilità induce la spontanea trasformazione in altri isotopi che si accompagna con l’emissione di particelle atomiche. Questi isotopi sono chiamati isotopi radioattivi, radionuclidi, o radioisotopi.

Il decadimento radioattivo è la trasformazione di un isotopo che decade in un altro atomo, il quale può essere anch’esso radioattivo oppure stabile.

struttura-atomo
Struttura di un atomo

La radioattività

I nuclei degli atomi instabili si trasformano spontaneamente, alla ricerca di stabilità, emettendo particelle o energia radiante. Questi processi danno luogo al fenomeno che chiamiamo radioattività.

Il decadimento radioattivo causa un cambiamento di Z e di N rispetto al radionuclide padre e così determina la trasformazione dell’atomo di un elemento in un atomo di un altro elemento. L’atomo figlio può essere a sua volta radioattivo che può decadere per formare un isotopo o un altro elemento. Questo processo continua finché non si forma un atomo stabile.

Il decadimento radioattivo avviene per emissione di tre tipi di radiazioni nucleari: alfa, beta e gamma.

Decadimento alfa

Questo tipo di decadimento si ha quando l’isotopo di un elemento con elevato numero atomico emette una particella alfa, composta da due protoni e da due neutroni.

Le particelle alfa sono fortemente ionizzanti e perciò perdono rapidamente la loro energia attraversando la materia. In aria possono viaggiare per pochi centimetri e in materiali più densi ancor meno. Un foglio di carta è pertanto in grado di fermare la radiazione alfa.

decadimento-alfa
Schema decadimento alfa

Decadimento beta

Il decadimento beta è tipico dei nuclei troppo ricchi in neutroni rispetto ai protoni e che quindi devono aumentare il numero di protoni per stabilizzarsi. La stabilizzazione avviene con il decadimento di un neutrino in un protone, un elettrone un antineutrino.

Decadimento beta

Decadimento gamma

Il decadimento gamma è l’unico decadimento radioattivo che non muta la natura del nucleo che decade e tipicamente si ha a seguito di un decadimento di tipo alfa o beta.

Quando i nucleoni in un nucleo non sono al loro livello fondamentale si riassestano emettendo fotoni.

Tipicamente quando un nucleo decade alfa o beta il nucleo figlio che viene generato non è al suo livello fondamentale, così spesso dopo un decadimento alfa o beta il nucleo figlio prodotto decade gamma per potersi portare al suo livello stabile.

Il potere penetrante della radiazione gamma è molto superiore rispetto ai decadimenti precedenti: fino a centinaia di metri in aria, attraversano facilmente il corpo umano e sono fermate da alcuni centimetri di piombo o decimetri di cemento.

La datazione radiometrica delle rocce

Il metodo più usato per stimare l’età in anni delle rocce è basato sulla radioattività naturale di alcuni atomi che fanno parte dei reticoli cristallini dei minerali che le compongono.

Il decadimento avviene per ogni elemento secondo un ritmo preciso, dettato dal tempo di dimezzamento, cioè il tempo necessario perché la quantità di isotopo radioattivo si dimezzi.

Per alcuni isotopi il tempo di dimezzamento è questione di frazioni di secondo, per altri di migliaia, milioni o anche miliardi di anni.

L’attendibilità di tale metodo è dovuta al fatto che la velocità di decadimento di un isotopo radioattivo è costante e indipendente da qualsiasi fattore fisico o chimico.

Per misurare l’età radiometrica di una roccia si conta – usando un apposito strumento, lo spettrometro di massa – il numero di isotopi instabili di un elemento ancora presenti e il numero di isotopi stabili derivati dal decadimento.

spettrometro-massa-datazione-rocce
Spettrometro di massa. Di Michael Pereckas from Milwaukee, WI, USA – LTQ, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11131161

Conoscendo il tempo di dimezzamento, è possibile calcolare quanto tempo è trascorso dal momento in cui gli isotopi radioattivi sono entrati a far parte del reticolo cristallino del minerale, cioè dal momento in cui si è formato quel minerale.

Per risalire all’età di un campione in esame si determina con opportune analisi la percentuale di un isotopo radioattivo ancora presente e quella di isotopo stabile già prodotto.

Ad esempio, se risulta che i due isotopi sono presenti in uguale quantità (cioè in rapporto 1:1), se ne deduce che è trascorso esattamente un tempo pari al tempo di dimezzamento e che, quindi, il campione di roccia ha un milione di anni; se invece si trova un rapporto tra isotopo radioattivo e isotopo stabile di 1:15, se ne deduce che il campione di roccia ha circa 4 milioni di anni.

Dei numerosi isotopi radioattivi naturali solo i cinque riportati nella tabella seguente si presentano bene alla datazione radiometrica di alcune rocce. Quanto infatti agli altri isotopi radioattivi, o sono presenti in quantità troppo piccole, o hanno tempi di dimezzamento troppo brevi o troppo lunghi per essere effettivamente utili.

Elemento padre Tempo dimezzamentoElemento figlioMateriali datati
C145730 anniN14Materiali organici
U235723 milioni di anniPb207Rocce magmatiche
K401300 milioni di anniAr40Rocce vulcaniche
U2384510 milioni di anniPb206Rocce magmatiche
Th23213900 milioni di anniPb208Rocce vulcaniche
Rb8747000 milioni di anniSr87Rocce metamorfiche

Ci si basa in genere sul Rb87 e sui due isotopi dell’uranio (235 e 238) solo per datare rocce vecchie di milioni di anni.

Prendiamo come esempio U238. L’uranio-238 (U238)  emette radiazioni a velocità costante senza essere influenzato da fattori ambientali, decadendo, dopo un tempo ben determinato, in piombo (Pb206).
L’uranio è presente, fin dai tempi della formazione della terra e in maggiore quantità rispetto a oggi, in alcuni minerali della crosta terrestre. Valutando le quantità relative di piombo e di uranio radioattivo presente nelle rocce si è potuto stabilire che esse sono tanto più antiche quanto maggiore è il loro contenuto in piombo e minore quello di uranio radioattivo.

Grazie all’U238 e al suo lungo tempo di dimezzamento in Pb206 è stato possibile stimare l’età della roccia più vecchia sulla Terra oltre che l’età della Terra stessa.

Approfondimenti

Se vuoi approfondire il tema trattato in questo post ti consiglio questi testi:

Antonio Nirta
Antonio Nirta
Ciao, mi chiamo Antonio Nirta e sono un geologo. Mi sono laureato all'Università di Pisa e dal 2017 svolgo la libera professione.Attraverso i post presenti in questo blog cercherò di trasmettere la mia passione per le Scienze Geologiche e di fornire informazioni che riguardano il bellissimo settore della Geologia.

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