Metodi fisici per la datazione archeologica

Quando? Metodi fisici per la datazione archeologica

Matteo Veglianti

Quando? Metodi fisici per la datazione archeologica, Matteo Veglianti 2

Indice

• Capitolo I: Datazione relativa: la stratigrafia
• 1. Importanza della datazione
• 2. Prime idee sulla stratigrafia
• 3. Metodo stratigrafico: unità stratigrafica
• 4. Datazione relativa: rapporti cronologici tra le diverse unità stratigrafiche
• 5. Datazione assoluta: elementi datanti e misure fisiche
• Capitolo II: Datazione assoluta: il metodo del carbonio 14
• 1. Storia e basi del metodo
• 2. Isotopi del carbonio
• 3. Decadimento radioattivo: caso del carbonio 14
• 4. Formule utili
• 5. Ciclo del carbonio 14
• 6. Calcolo della data convenzionale
• 7. Correzione col carbonio 13
• 8. Effetti di contaminazione
• 9. Altre correzioni
• 10. Esempio 1: l’uomo di Similaun
• 11. La misurazione del carbonio 14
• 12. Misure di attività del campione
• 13. Misure di spettrometria di massa
• 14. Affidabilità delle datazioni radiocarboniche
• 15. Dendrocronologia
• 16. Esempio 2: la Sacra Sindone
• 17. Critiche del metodo
• Capitolo III: Datazione assoluta: altri metodi fisici
• 1. Termoluminescenza
• 2. Risonanza di spin elettronico
• 3. Datazione delle rocce
• 4. Altri metodi
• Conclusioni
• Bibliografia

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Capitolo I

Datazione relativa: la stratigrafia

1. Importanza della datazione

Tutti gli esseri umani hanno un’esperienza del tempo. Un individuo compie direttamente l’esperienza di un periodo di vita di circa 80 anni e può indirettamente avere esperienza di una o due generazioni precedenti attraverso i ricordi dei genitori o dei nonni. Tuttavia l’unico modo per conoscere eventi accaduti molti anni or sono è appellarsi alla storia, che ha proprio il compito di studiare documenti, testimonianze e reperti archeologici e descrivere gli eventi accaduti nelle varie epoche.

Anche se può sorprendere, per studiare il passato non è sempre indispensabile conoscere esattamente quanti anni fa sia accaduto un particolare avvenimento. Per esempio, il più grande risultato di Thomsen e Worsaae nel XIX secolo fu stabilire la tripartizione degli strumenti prodotti nell’antichità in base alle materie prime utilizzate: pietra, bronzo e ferro [1]; gli scavi confermarono il valore cronologico di questa sequenza: i manufatti in pietra comparvero prima di quelli in bronzo che a loro volta comparvero prima di quelli in ferro.

Anche se non si sapeva quanto fosse durata l’età della pietra, l’età del bronzo e quella del ferro, gli archeologi potevano comunque affermare con esattezza che un reperto in pietra era più antico di uno in bronzo che a sua volta era più antico di uno in ferro. Questo modo di fare storia si basa sull’assunzione che se uno strato è coperto da un altro strato, il primo è più antico del secondo, questa idea è alla base della stratigrafia archeologica.

2. Prime idee sulla stratigrafia

La stratigrafia archeologica ha ricavato inizialmente e per un certo periodo i suoi principi dalla stratigrafia geologica. L’idea che studiando i resti nel sottosuolo si possa ricostruire la storia della Terra e dell’umanità è molto antica. Nel VI secolo a.C. si scoprono i primi resti fossili e si danno spiegazioni su questo fenomeno. Nel III secolo a.C. Eratostene spiega il fenomeno dei fossili supponendo che i continenti si muovano, sempre in quel periodo Teofrasto (figura 1), allievo e successore di Aristotele alla guida del Liceo, scrive un libro sulla pietrificazione, oggi perduto (le testimonianze sono di Plinio il Vecchio) [2]. La cosa sorprendente è che dopo di lui non si scrive più alcuna riga a riguardo. Solo nel 1669 Agostino Scilla e, indipendentemente, il vescovo Nicolò Stenone, sostengono alla guida del liceo le seguenti tesi:

• I fossili hanno un’origine animale.
• Tra i fossili e le rocce che li contengono si può individuare una cronologia relativa.
• Tra i vari strati di rocce si può individuare una cronologia relativa, nel senso che gli strati più in alto sono in genere più recenti di quelli sottostanti.

Figura 1: Teofrasto (371-287 a.C.), allievo e successore di Aristotele.

Il fatto che queste idee, dimenticate per 19 secoli, nascono contemporaneamente e indipendentemente nella mente dei due uomini citati sopra suggerisce che entrambi avevano letto la stessa opera, oggi ignota; inoltre, poiché queste idee non circolavano più in occidente da 19 secoli, la fonte di Scilla e Stenone dovrebbe essere molto vecchia e/o orientale [3].

Dal XVIII secolo ad oggi ci furono chiaramente ulteriori sviluppi, soprattutto sulle tecniche stratigrafiche. È soltanto durante l’ultima generazione che l’archeologia stratigrafica è riuscita a emanciparsi dalla geologia e dalla paleontologia per autodefinirsi come disciplina storica particolare. Da pochi anni, infine, si utilizzano anche metodi fisici per datare i reperti archeologici (vedremo in dettaglio questi metodi nei prossimi capitoli).

3. Metodo stratigrafico: unità stratigrafica

Quando si effettua uno scavo archeologico, si individuano entità omogenee per composizione, consistenza e colore che rappresentano un “momento” particolare dell’evoluzione del sito e prendono il nome di Unità Stratigrafiche (US). Ad ogni US viene assegnato un numero progressivo (univoco all’interno dello scavo), eventuali reperti vengono conservati in contenitori (sacchetti, scatole) identificati dal numero della US di appartenenza (figura 2).

Figura 2: Si distinguono le diverse unità stratigrafiche, ciascuna identificata con un numero univoco all’interno dello scavo.

In realtà ogni US rappresenta un momento di distruzione del sito, mentre la superficie separante due US rappresenta un momento di vita, ossia un livello d’uso del sito. Facciamo questo esempio, inventato ma plausibile: in un certo periodo storico si distrusse un tempio pagano per fare posto ad una chiesa cristiana, allora i calcinacci del tempio furono spianati e su di essi venne costruita la chiesa.

Supponiamo che in un momento storico successivo, a seguito di qualche catastrofe naturale, per esempio un terremoto, oppure a seguito di una guerra, la chiesa fu distrutta. Allora di nuovo i calcinacci della chiesa furono spianati e su di essi fu costruito un palazzo che oggi, per le stesse ragioni, è distrutto. Allora sul sito si possono individuare il livello d’uso odierno e subito sotto i resti del palazzo, che costituiscono la prima unità stratigrafica del sito (che possiamo numerare: US 1). Tolti tutti i calcinacci del palazzo si individua il livello d’uso dell’epoca in cui il palazzo era in piedi. Al di sotto di esso si ritroveranno i resti della chiesa, questo strato costituisce un’altra unità stratigrafica (US 2).

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Al di sotto delle macerie si può individuare il livello d’uso dell’epoca in cui la chiesa era ancora in piedi. Infine, sotto tale livello, si ritroveranno i resti del tempio pagano (US 3) con il relativo livello d’uso.

4. Datazione relativa: rapporti cronologici tra le diverse unità stratigrafiche

Si possono così studiare rapporti stratigrafici (o sequenze stratigrafiche) che possono essere del tipo: anteriore a …, posteriore a …, coevo a …; la stratigrafia archeologica fornisce in ogni caso solamente datazioni relative, indicando in quale ordine si sono verificati gli eventi, senza dirti tuttavia “quando” questi hanno avuto luogo.

Per avere delle datazioni assolute occorre quindi poter datare almeno alcune tra le varie US individuate: quelle comprese cronologicamente tra due US datate, anche in assenza di una loro datazione specifica, avranno comunque un intervallo temporale entro il quale essere collocate.

5. Datazione assoluta: elementi datanti e misure fisiche

Una datazione assoluta può essere fatta grazie ai cosiddetti “elementi datanti” contenuti negli strati. La regola generale assicura che una US viene datata grazie al più recente degli elementi datanti stratigraficamente affidabili presenti in essa (bisogna quindi prestare attenzione ad eventuali oggetti residui o intrusi). Tra gli elementi datanti possiamo citare le monete (dato il loro breve periodo di validità), le fibule ed altri ornamenti (visto che seguivano la moda), le ceramiche tipiche di un periodo (per lo stesso motivo), le armi, e così via.

Infine, a partire dalla metà del XX secolo, sono state approntate delle tecniche di datazione assoluta basate su misure fisiche, che permettono da una parte di verificare datazioni effettuate con altri criteri dall’altra di poter collocare cronologicamente strati e/o strutture prive di elementi datanti. Tra queste tecniche le più diffuse sono quelle basate direttamente sul fenomeno della radioattività (tra cui la tecnica del carbonio 14, che verrà descritta nel prossimo capitolo); ci sono poi altre tecniche fisiche quali la termoluminescenza, la risonanza di spin elettronico e altre (che verranno descritte nel capitolo III).

Figura 3: Monete bizantine rinvenute in uno scavo ad Ugento (LE) risalenti all’XI secolo [4].

Per esempio, se uno strato contenesse una moneta circolante nell’XI secolo o un tipo di calzatura dello stesso secolo, allora tutti gli oggetti appartenenti alla stessa unità stratigrafica saranno datati all’XI secolo, ovviamente dopo aver effettuato le dovute verifiche come l’autenticità della moneta, oppure che essa e/o gli altri oggetti dello strato non siano stati aggiunti posteriormente (figura 3).

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Può capitare, invece, che in uno strato si trovi un coccio di epoca sconosciuta e non si ha a disposizione alcun elemento per datare l’unità stratigrafica; a quel punto si può stimare l’età del coccio con dei metodi fisici, così da poter datarlo, insieme a tutti gli altri oggetti appartenenti allo stesso strato.

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Capitolo II

Datazione assoluta: il metodo del carbonio 14

1. Storia e basi del metodo

La tecnica del radiocarbonio (o carbonio-14) permette di datare qualsiasi materiale di origine organica, cioè che derivi da qualcosa che sia stato vivo, come ossa, legno, stoffa, carta, semi, polline, pergamena e pellame in genere, carboni, tessuti e fluidi biologici, risalendo così all’epoca della morte dell’individuo da cui proviene il campione, purché non siano passati più di 50-60 mila anni (dopo tale periodo, il carbonio-14 residuo è talmente esiguo da non permettere misure attendibili neppure con le tecniche più sofisticate).

Il metodo si basa sul lento decadimento del carbonio-14 (isotopo radioattivo del carbonio), che costituisce quindi un ottimo “orologio” archeologico; tale metodo fu messo a punto e pubblicato tra il 1947 e il 1949 da un team di chimici dell’Università di Chicago diretti da Willard Libby (figura 4), che per questo ebbe il premio Nobel nel 1960. Libby e collaboratori datarono un campione di legno di acacia proveniente dalla tomba del faraone Zoser (2700-2600 a.C.) e le loro previsioni sulla quantità di carbonio-14 presente nel pezzo di legno furono confermate dalla misura sperimentale.

Le prime datazioni radiocarboniche si ebbero perciò a partire dal 1950. Nonostante che col passare del tempo ci si sia resi conto che i presupposti su cui si basava il metodo di Libby (che esamineremo più in dettaglio nei prossimi paragrafi) erano veri solo in prima approssimazione, la comunità scientifica ha comunque deciso di continuare ad eseguire le datazioni secondo tali assunti, si ottiene così una “datazione radiocarbonica convenzionale” (o Conventional Radiocarbon Age, CRA), che deve essere poi sottoposta a calibrazione al fine di ottenere una datazione calibrata.

Figura 4: Willard Libby (1908-1980) in una foto dei primi anni ’60.

La CRA è normalmente espressa in anni BP (Before Present, calcolati a ritroso a partire dal 1950); mentre la data calibrata è espressa come data di calendario in anni BC (Before Christ, avanti Cristo) o AD (Anno Domini, dopo Cristo).

2. Isotopi del carbonio

Ogni elemento si distingue da un altro per il numero di protoni nel suo nucleo (che è identico in tutti gli atomi di quell’elemento), detto anche numero atomico “Z”, così, tutti gli atomi di idrogeno hanno un protone nel nucleo, tutti quelli di carbonio ne hanno sei, tutti quelli di ossigeno ne hanno otto e così via. Il numero di neutroni, invece, può variare da atomo ad atomo dello stesso elemento: varia così il numero totale di particelle nel nucleo, o nucleoni, definito come numero di massa “A”, mentre ovviamente resta immutato il numero di protoni.

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Gli atomi di uno stesso elemento che differiscono solo per il numero di massa si chiamano isotopi, in quanto occupano lo stesso posto nella classificazione degli elementi: gli isotopi di un elemento, infatti, sono chimicamente indistinguibili tra loro (in realtà esiste una piccola differenza nella velocità di reazione, fenomeno che, come vedremo, conduce in alcuni casi al cosiddetto “frazionamento isotopico”). Per ogni elemento esiste un isotopo più abbondante, che comprende la maggior parte degli atomi, mentre gli altri sono rappresentati in piccole quantità (figura 5).

Figura 5. Isotopi del carbonio con relativo numero di protoni e neutroni, stabilità e frazione in natura [5].

3. Decadimento radioattivo: caso del carbonio-14

Alcuni isotopi sono stabili, altri no, ovvero tendono spontaneamente a raggiungere la stabilità modificandosi, emettendo radiazione e/o particelle. Un atomo del genere si dice instabile, o radioattivo (questo termine deriva dal fatto che il primo elemento ad essere così classificato fu il radio). I modi in cui gli elementi radioattivi possono modificarsi sono molteplici: decadimento β-, decadimento α, decadimento γ, cattura elettronica, emissione di neutroni.

Trascuriamo adesso gli altri metodi e approfondiamo il decadimento β- poiché il carbonio-14 decade proprio in questo modo.

Figura 6: Decadimento del carbonio-14.

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Nel decadimento β- un atomo modifica un neutrone del proprio nucleo trasformandolo in un protone ed emettendo un elettrone ed un antineutrino elettronico: β-.

Un elemento, quindi, a seguito di un decadimento β-, subirà la seguente trasformazione: [5].

Il carbonio-14 subisce quindi la seguente trasformazione: . L’azoto-14 è stabile e quindi non decade ulteriormente (figura 6).

4. Formule utili [5]

In questo paragrafo richiamiamo alcune formule utili per i calcoli dei paragrafi successivi.

• Innanzitutto ricordiamo la legge del decadimento radioattivo:

, dove:

N(t) rappresenta il numero di atomi al tempo t (t>0).

N rappresenta il numero di atomi all’istante t=0.

0

λ è chiamata “costante di decadimento” e rappresenta la probabilità di decadimento per unità di tempo.

• Si definisce poi “attività” il numero di decadimenti subiti nell’unità di tempo:

, definita positiva.

Risulta immediato: .

L’unità di misura nel S.I. è il Bequerel (Bq); un Bequerel corrisponde ad un decadimento al secondo. Molto spesso però si utilizza l’unità di misura storica: il Curie (Ci); un Curie corrisponde all’attività di un grammo di .

; .

• Si definisce “vita media” (τ) il reciproco della costante di decadimento e rappresenta il tempo dopo cui il numero di atomi radioattivi, così come la loro attività, si riduce di un fattore e, circa 3; infatti .
• Infine, si definisce “tempo di dimezzamento” ( ) il tempo dopo cui il numero di atomi radioattivi, così come la loro attività, si è dimezzato. ; .

Da ciò deriva:

.

Figura 7: Decadimento radioattivo del carbonio-14.

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Nel caso del carbonio-14 il tempo di dimezzamento è di 5730±30 anni (figura 7).

5. Ciclo del carbonio-14

Salvo fluttuazioni di cui occorrerà tener conto in fase di calibrazione, la frazione di carbonio-14 nell’atmosfera terrestre è pressoché costante. Dunque, visto che esiste un decadimento, deve necessariamente esistere un meccanismo di produzione di radiocarbonio.