Η εύρεση της ηλικίας αρχαιολογικού ενδιαφέροντος βιολογικών εκθεμάτων γίνεται με τη μέθοδο ραδιοχρονολόγησης με άνθρακα-14, που για πρώτη φορά προτάθηκε το 1946 από τον Αμερικανό χημικό Γουίλαρντ Φρανκ Λίμπι (το 1960 τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ χημείας για την τεχνική της ραδιοχρονολόγησης με τον 14C.) και έκτοτε αποτελεί βασική μέθοδο προσδιορισμού της ηλικίας ευρημάτων από οργανική ύλη, με εφαρμογές στην αρχαιολογία, στην παλαιοντολογία, στη γεωφυσική, στη γεωλογία και άλλες επιστήμες.
Τα ισότοπα του άνθρακα – που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων – τα συναντάμε με μαζικούς αριθμούς 12 ( 12C ) και 13 ( 12C ) που είναι σταθερά και ένα ραδιενεργό με μαζικό αριθμό 14 ( 14C). Το τελευταίο είναι ασταθές και τείνει να υποστεί διαδοχικές διασπάσεις μέχρι να γίνει κάποιο σταθερό άτομο. Η χρονική διάρκεια αυτής της πορείας εκφράζεται με τον χρόνο ημιζωής ή υποδιπλασιασμού, δηλαδή το χρονικό διάστημα που απαιτείται ώστε ο αριθμός των ατόμων να μείνει ο μισός του αρχικού.
Τα σωματίδια υψηλής ενέργειας που μας έρχονται συνεχώς από το διάστημα – η λεγόμενη κοσμική ακτινοβολία -, παράγει νετρόνια στην ατμόσφαιρα, τα οποία, αντιδρώντας με το 14N άζωτο-14 δίνουν τον άνθρακα-14 ( 14C). Ο τελευταίος έχοντας τις ίδιες χημικές ιδιότητες με τον άνθρακα-12 ( 12C ) που κυρίως συναντάται στον κόσμο, σχηματίζει μόρια διοξειδίου με άνθρακα-14, απορροφάται από τα φυτά κατά τη φωτοσύνθεση και εισέρχεται στους ζωικούς οργανισμούς που τα καταναλώνουν. Κάθε ζωντανός οργανισμός έχει, λοιπόν, περίπου σταθερή γνωστή αναλογία άνθρακα-14 προς άνθρακα-12, ίση με εκείνη της ατμόσφαιρας.
Ο Γουίλαρντ Λίμπι παρατήρησε πως, μετά τον θάνατό τους, τα φυτά και τα ζώα αφού δεν λαμβάνουν πλέον άνθρακα-14 και ο ήδη υπάρχων ( 14C). σαν ραδιενεργός που είναι αρχίζει να διασπάται και να ελαττώνεται, ενώ, αντίθετα, ο σταθερός άνθρακας-12 διατηρεί την ίδια συγκέντρωση.
Έτσι λοιπόν η αναλογία άνθρακα-14 προς άνθρακα-12 χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ηλικίας του δείγματος, έχοντας ως δεδομένο πως ο χρόνος ημιζωής του ραδιενεργού ισοτόπου είναι 5.730 χρόνια. Η μέθοδος εφαρμόζεται σε οστά, τρίχες, δέρμα, ξύλο, πάπυρο, φυτικά υφάσματα και άλλα δείγματα και μας επιτρέπει τη χρονολόγηση ευρημάτων ηλικίας μέχρι περίπου 50.000 ετών, με ακρίβεια συνήθως +/- 50-100 έτη.
Όπως βλέπουμε πιο πάνω ο ραδιενεργός άνθρακας-14 διασπάται σε άζωτο N-14 και ένα ηλεκτρόνιο (ακτινοβολία β). Στην ραδιοχρονολόγηση μετράμε την ακτινοβολία βήτα και από εκεί έμμεσα υπολογίζεται η συγκέντρωση άνθρακα-14. Η καθιερωμένη μέθοδος γι αυτό είναι η χρήση AMS (Φασματοσκοπία Μάζας με επιταχυντή σωματιδίων), η οποία προσδίδει σημαντικά μεγαλύτερη ακρίβεια και επιτρέπει την ανάλυση μικρότερων δειγμάτων.
Ηλικία της Γης
Μια ενδιαφέρουσα εφαρμογή της γνώσης των ραδιενεργών στοιχείων είναι ο καθορισμός όχι μόνο των αρχαιολογικών αντικειμένων, αλλά και της ηλικίας της Γης. Μια μέθοδος του καθορισμού της ηλικίας των βράχων είναι βασισμένη στο γεγονός ότι σε πολλά μεταλλεύματα ουράνιου και θορίου, που έχουν αποσυντεθεί από το σχηματισμό τους, τα άλφα σωματίδια έχουν παγιδευτεί (ως άτομα ηλίου) στο εσωτερικό του βράχου. Με ακρίβεια καθορίζονται τα σχετικά ποσά του ηλίου, ουράνιου, και θορίου στο βράχο, κι έτσι μπορεί να υπολογιστεί το χρονικό διάστημα κατά τη διάρκεια του οποίου έχουν συνεχιστεί οι διαδικασίες αποσύνθεσης δηλαδή η ηλικία του βράχου.
Προσδιορίζουμε δηλαδή την αναλογία ουρανίου-238 προς το μόλυβδο-206 ή θορίου-232 προς το μόλυβδο-208 στους βράχους (δηλαδή οι αναλογίες των συγκεντρώσεων των αρχικών και τελικών μελών της ραδιενεργού σειράς αποσύνθεσης). Αυτές και άλλες μέθοδοι δίνουν τις τιμές για την ηλικία της γης περίπου 4.6 δισεκατομμύρια έτη. Παρόμοιες τιμές λαμβάνονται και για τους μετεωρίτες που έχουν πέσει στην επιφάνεια της γης, καθώς επίσης και για τα δείγματα της Σελήνης που ήλθαν πίσω από το διαστημικό σκάφος Απόλλωνα-11 τον Ιούλιο του 1969, δείχνοντας έτσι ότι ολόκληρο το ηλιακό σύστημα είναι πιθανώς της ίδιας σχεδόν ηλικίας όπως η Γη.
Οι μέθοδοι αυτοί ξεκίνησαν το 1905 με τον Rutherford και Boltwood που χρησιμοποίησαν για πρώτη φορά την αρχή της ραδιενεργής διάσπασης για τη χρονολόγηση ορυκτών και πετρωμάτων. Το 1907 ο Boltwood χρονολόγησε ένα δείγμα ουρανίτη με τη μέθοδο ουρανίου/μολύβδου. Η ραδιοχρονολόγηση είχε επιτευχθεί πριν ακόμα είναι γνωστά με ακρίβεια τα ισότοπα και οι ρυθμοί διάσπασής τους. Ο Boltwood δημοσίευσε για πρώτη φορά απόλυτες ηλικίες πετρωμάτων της τάξης εκατομμυρίων χρόνων. Τα επόμενα σαράντα χρόνια η έρευνα οδήγησε στην ανάπτυξη και βελτίωση τεχνικών και μεθόδων για τη μέτρηση της ηλικίας γήινων υλικών. Η ακριβής χρονολόγηση τελειοποιήθηκε το 1950. Η ανακάλυψη του φασματογράφου μάζας το 1919 οδήγησε στον εντοπισμό και τη μελέτη περισσότερων ισοτόπων.
Ο χρόνος ημιζωής
Όπως είδαμε πιο πάνω τα ασταθή ισότοπα μέσα από διαδοχικές ραδιενεργές διασπάσεις τείνουν να γίνουν σταθερά. Οι ραδιενεργοί μητρικοί πυρήνες μετατρέπονται -σταδιακά- σε θυγατρικούς σταθερούς πυρήνες σε καθορισμένο χρόνο, που είναι διαφορετικός για κάθε ισότοπο. Κάθε ραδιενεργό ισότοπο έχει το δικό του χρόνο ημιζωής. Ο λόγος της απομένουσας ποσότητας από το αρχικό ισότοπο προς το σύνολο των προϊόντων της διάσπασης (μητρικοί πυρήνες/θυγατρικοί πυρήνες) χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της ηλικίας των πετρωμάτων που περιέχουν ραδιενεργά ορυκτά.
Τα περισσότερα ραδιενεργά ισότοπα έχουν γρήγορους ρυθμούς διάσπασης, δηλαδή μικρούς χρόνους ημιζωής και χάνουν τη ραδιενέργειά τους μέσα μερικές ημέρες ή έτη (το ιώδιο-131 έχει χρόνο ημιζωής 8,02 μέρες). Μερικά ραδιενεργά ισότοπα, όμως, αποσυντίθενται αργά και είναι αυτά που χρησιμοποιούνται ως γεωλογικά ρολόγια, υπολογίζουν δηλαδή την απόλυτη ηλικία των πετρωμάτων, των ορυκτών αλλά και γεγονότων που συνέβησαν πριν εκατομμύρια χρόνια. Το πιθανό σφάλμα στους χρόνους ημιζωής είναι πολύ μικρό, της τάξης του +-2%.
Η χρονολόγηση των πετρωμάτων από αυτά τα ραδιενεργά χρονόμετρα είναι θεωρητικά απλή, αλλά οι εργαστηριακές διαδικασίες είναι πιο σύνθετες. Οι ποσότητες μητρικών και θυγατρικών πυρήνων σε κάθε δείγμα καθορίζονται με διάφορα είδη αναλυτικών μεθόδων. Η κύρια δυσκολία έγκειται στο να μετρηθούν με ακρίβεια τα πολύ μικρά ποσοστά ισοτόπων. Οταν είναι εφικτό, χρησιμοποιούνται στο ίδιο δείγμα δύο ή περισσότερες μέθοδοι ανάλυσης για να επιβεβαιώσουν τα αποτελέσματα.
