La scoperta di come funzionano le mezza vite ha trasformato la nostra capacità di misurare le età e identificare le malattie.
Le mezza vite, in particolare quella del carbonio-14, ci hanno permesso di stabilire l’età delle ossa, come quelle di questo scavo in Galles.
Il fatto che gli isotopi abbiano una mezza vita unica si è rivelato forse lo strumento più potente dell’umanità per comprendere la storia profonda del nostro pianeta. Ma cos’è una mezza vita, come li usiamo – e per quella materia, cos’è un isotopo?
Il nucleo di un atomo è composto da protoni e (a parte l’idrogeno) neutroni. Il numero di protoni definisce di quale elemento si tratta: 8 per l’ossigeno, 26 per il ferro e 79 per l’oro. Tuttavia, il numero di neutroni può variare. Se due atomi hanno lo stesso numero di protoni e neutroni, sono lo stesso isotopo. Se hanno lo stesso numero di protoni e diversi numeri di neutroni, sono isotopi diversi dello stesso elemento. Gli isotopi sono designati dal loro elemento e dal numero totale di neutroni e protoni combinati.
Alcuni isotopi sono stabili: fintanto che non succede nulla, come un incontro con un solo neutrone di passaggio, dureranno per tutta la durata dell’universo. Tuttavia, la maggior parte degli elementi ha molti isotopi instabili che si decadono lentamente nel tempo, rilasciando radiazioni e trasformandosi in qualcosa di completamente diverso.
Ad esempio, il carbonio più comune è il carbonio-12, composto da sei protoni e sei neutroni. Questo è un equilibrio adeguato dei due per la stabilità, e ogni atomo di carbonio-12 durerà per sempre nella maggior parte degli ambienti. Tanto meglio per noi, poiché avere uno degli elementi più comuni nel nostro corpo radioattivo sarebbe un problema. Il carbonio-13, con un settimo neutrone, si forma più raramente ma è anche stabile.
Tuttavia, il carbonio-14 esiste anche in natura e possiamo produrre carbonio-11 in laboratorio. Entrambi sono radioattivi, il che significa che si decadono, ma il carbonio-11 lo fa molto più velocemente. È qui che entra in gioco il concetto di mezza vita.
La durata del tempo che ci vorrà per far decadere ogni singolo atomo non può mai essere prevista, ma le previsioni statistiche di grandi campioni possono essere molto precise.
Per qualsiasi campione sostanziale di un isotopo radioattivo, la metà degli atomi si decadono in un periodo noto come mezza vita di quell’isotopo. Se si conserva adeguatamente un chilogrammo di carbonio-14, 5.700 anni dopo i tuoi eredi avranno 500 grammi di carbonio-14 e 500 grammi di azoto-14. Nel frattempo, verranno rilasciate enormi quantità di particelle beta (elettroni ad alta velocità) mentre la metà degli atomi si trasforma da un atomo all’altro.
La metà di un campione di carbonio-11, d’altra parte, si trasforma in boro-11 in soli 20 minuti, ed è per questo che dobbiamo produrlo noi stessi. Quello che si forma naturalmente va molto veloce.
Potresti pensare che in altri 5.700 anni, il resto del carbonio-14 si sarebbe anche decaduto, lasciandoti solo con l’azoto, ma non è così che funziona. Invece, la metà del carbonio-14 rimanente si decaderebbe in quel tempo, lasciando 250 grammi. Altri 5.700 anni e ci saranno 125 grammi, e così via.
Solo quando sono trascorsi milioni di anni e ti rimangono solo pochi atomi di carbonio, diventa imprevedibile: con una quantità di campione così piccola, potresti perdere la maggior parte del carbonio rimanente o significativamente meno della metà, anche se la metà è l’esito più probabile.
Perché è importante
Scientificamente, le mezza vite sono cruciali per la nostra capacità di determinare l’età degli oggetti. Le piante e le alghe fotosintetiche assorbono il carbonio dall’atmosfera, con piccole quantità di carbonio-14 catturate in proporzione alla sua presenza lì. Fino a poco tempo fa, questo significava che il carbonio-14 nei tessuti vegetali viventi e negli animali che si nutrivano di quelle piante era costante. Tuttavia, una volta che la pianta o l’animale muore, il carbonio-14 inizia a decadere, mentre il carbonio-12 e -13 rimangono gli stessi. Se trovi un oggetto con la metà del carbonio-14 rispetto agli isotopi di carbonio stabili presenti nell’atmosfera storica, significa che ha 5.700 anni. Un quarto significa che ha 10.400 anni.
Misurando la quantità di carbonio-14 siamo diventati in grado di datare per la prima volta i fossili dei nostri antenati, un passo cruciale per comprendere la nostra evoluzione. Viene anche utilizzato per testare l’autenticità di oggetti che si sostiene siano antichi reliquie.
La datazione al carbonio ha i suoi limiti, tuttavia. Non può essere utilizzata per misurare l’età di oggetti che hanno milioni di anni, perché rimarrà così poco carbonio-14. D’altra parte, negli ultimi anni l’umanità ha interferito con i rapporti di carbonio atmosferico. In passato, la maggior parte del carbonio-14 si formava attraverso i prodotti dei raggi cosmici che colpivano gli atomi di azoto atmosferico. Il carbonio rilasciato dalla combustione dei combustibili fossili ha poco carbonio-14, abbassando quindi il rapporto atmosferico, mentre i test nucleari ne producono abbastanza da aumentare la media globale. Queste due attività umane si sono contrastate, ma entrambe hanno cambiato i rapporti, il che renderà difficile stimare le età degli oggetti dei nostri tempi utilizzando solo il carbonio.
Fortunatamente, tuttavia, ci sono molti altri isotopi radioattivi che possono essere utilizzati per la datazione, alcuni dei quali si decadono molto più lentamente, consentendoci di stimare l’età di oggetti molto più vecchi.
Con una mezza vita di migliaia di anni, così pochi atomi di carbonio-14 si decadono in un anno qualsiasi che non soffriamo molto dalla sua presenza nei nostri organi. Lo stesso non è vero, tuttavia, per alcuni atomi con mezza vita più breve. Isotopi come lo stronzio-90, il cesio-137 e il cobalto-60 hanno mezza vite abbastanza brevi da produrre molte radiazioni, ma abbastanza lunghe da quando un incidente causa il loro rilascio, non possiamo aspettare facilmente che la radiazione scompaia. Quando la radiazione rilasciata nei loro decadimenti è abbastanza potente da essere pericolosa, come lo è per questi isotopi o i prodotti a cui decadono, questo è un problema importante.
D’altra parte, gli isotopi con mezza vita breve possono essere utili anche. Li usiamo per l’imaging medico, tracciando la radiazione che rilasciano per identificare problemi nel corpo umano o per rilasciare particelle di cui abbiamo bisogno per esperimenti scientifici. Spesso, si tratta di cercare un isotopo con la giusta mezza vita per il lavoro.
Il concetto di mezza vita ha anche altre applicazioni. I farmaci, le vitamine e i veleni possono avere una mezza vita nel corpo, con la metà che viene eliminata o scomposta in un periodo di tempo specifico. Per i primi due, ciò ci consente di calcolare quanto velocemente dobbiamo sostituirli.