METODO DEL  14C (carbonio 14) o del radiocarbonio (torna...)

Si tratta di un metodo di  datazione radiometrica basato sulla misura delle abbondanze relative degli isotopi del carbonio. Fu ideato e messo a punto tra il 1945 e il 1955 dal chimico statunitense Willard Frank Libby, che per questa scoperta vinse il Premio Nobel nel 1960. Questo metodo del 14C permette di datare materiali di origine organica (ossa, legno, fibre tessili, semi, carboni di legno); con questo metodo si ricava una datazione assoluta, vale a dire in anni calendariali, ed è utilizzabile per materiali di età compresa tra i 50.000 e i 100 anni. La sua principale utilizzazione è in archeologia per datare i reperti costituiti da materia organica, quindi contenenti atomi di carbonio.

Il carbonio è un elemento chimico fondamentale per la vita e presente in tutte le sostanze organiche. Esso è presente sulla terra in tre isotopi: due stabili (chiamati C12 e C13) e uno, molto raro (un atomo ogni mille miliardi di quelli stabili),  radioattivo (chiamato C14, che è quello che ci interessa qui). Tutti gli organismi viventi inglobano l'anidride carbonica dell'atmosfera, sia direttamente con la fotosintesi sia attraverso la catena alimentare. Le percentuali degli isotopi dei tre tipi di carbonio nei loro corpi sono perciò le stesse presenti nell'ambiente durante la loro vita.
Tutto questo cessa però con la morte dell' organismo: la componente di C14 decade trasformandosi in azoto e diminuisci per dimezzamento. Dopo 5730 anni, in quell'organismo resterà solo la metà degli atomi iniziali di C14 , dopo altri 530 ne resterà un quarto (cioè la metà della metà iniziale), e così via dimezzandosi ogni  5730 anni.
La datazione con il C14 consiste quindi essenzialmente nella misura della frazione del C14 rispetto al C12 o C13 (si chiama rapporto isotopico C14/C12 oppure C14/C13). Poiché gli isotopi sono indistinguibili chimicamente, si sono sviluppate due tecniche che misurano il rapporto isotopico del carbonio estratto dal campione: il conteggio in fase gassosa (o liquida), e la spettrometria di massa atomica.
La prima tecnica (contatore proporzionale) conta i decadimenti spontanei del C14 nel campione da datare: poiché i decadimenti sono rari, occorre almeno un grammo di carbonio e decine di ore di conteggio per avere una misura dell'età con elevata precisione (con un margine di errore di  più o meno 15 anni). Il decadimento di un C14 produce un raggio beta (cioè un elettrone veloce) che viene rivelato dalla scarica elettrica innescata nel gas di un contatore geiger (conteggio in fase gassosa), oppure è contato da un fotorivelatore che "vede" il lampo di luce prodotto in un liquido scintillante (conteggio in fase liquida). Il gas o il liquido usato sono composti del carbonio sintetizzati proprio partendo dal carbonio da analizzare.
La seconda tecnica (spettrometro di massa) conta direttamente il C14 del campione, senza dover attendere alcun decadimento, quindi la misura è più veloce e può essere fatta con campioni anche solo di un milligrammo. Per questa seconda tecnica di misurazione si utilizza lo spettrometro di massa atomica: uno strumento usato da molti decenni nella fisica nucleare. Lo stadio iniziale (sorgente) produce un fascio di ioni di carbonio che vengono quindi accelerati attraverso una differenza di potenziale di alcuni milioni di Volt (acceleratore) e infine selezionati attraverso campi elettrici e magnetici che li separano in base alla massa atomica. Il fascio che prosegue fino al pozzo di spegnimento contiene un solo tipo di atomo (C12, C13 o C14). Il pozzo è un dispositivo che misura la corrente, dalla misura della corrente si risale al numero di atomi del fascio. Sintonizzando il filtro si contano successivamente le tre specie isotopiche di C12, C13, C14 e si ottengono i loro rapporti. La misura del rapporto C13/C12, che è conosciuta e deve essere costante, permette di tenere sotto controllo il funzionamento dello spettrometro, mentre i rapporti C14/C12 o C14/C13 danno l'età del campione. Questo secondo metodo, chiamato AMS (Accelerator Mass Spectrometry) presenta il quindi il vantaggio
di poter lavorare con campioni più piccoli e di fornire un risultato in tempo molto più breve (si possono misurare decine di campioni al giorno, mentre il primo metodo può richiedere anche alcune settimane per un solo campione). Lo svantaggio di questo secondo metodo è di essere distruttivo: esso richiede infatti che il campione venga bruciato e ridotto in forma gassosa.
La semplice relazione tra il rapporto isotopico C14/C12 e l'età del campione ed è basata sull'ipotesi che in passato la percentuale di C14 in atmosfera sia stata la stessa che misuriamo oggi. Entrambi questi metodi permettono di ottenere datazione con un margine di errore tra il 2 e il 5% fino ad un tempo massimo di circa 50.000 anni: per campioni più antichi la concentrazione di C14 è troppo bassa per poter essere misurata con sufficiente accuratezza.

In occasione dell'ostensione straordinaria della Sindone, avvenuta nel 1978, fu costituito il Progetto di ricerca sulla Sindone di Torino (in inglese Shroud of Turin Research Project, "STURP"). Lo Sturp, fin dall'anno successivo manifestò l'intenzione di sottoporre il lenzuolo a vari studi, tra cui la datazione radio carbonio per la piccola quantità di materiale che richiedeva per le analisi. A tal scopo, nel 1982 una commissione guidata dal chimico Robert H. Dinegar e dal fisico Harry E. Gove dell'Università di Rochester, si occupò di interpellare diversi laboratori specializzati in datazioni di piccoli campioni. Sei laboratori diedero la disponibilità ad eseguire le datazioni. Questi usavano le due diverse tecniche di datazione. Alla fine, su suggerimento del consulente scientifico (Luigi Gonnella professore del Politecnico di Torino) solo tre di essi furono coinvolti nell'analisi. Il criterio di scelta fu l'esperienza dei laboratori nella datazione dei reperti archeologici. Il 17 aprile 1988, in una lettera pubblicata dalla rivista Nature, il direttore scientifico del British Museum, Michael Tite, riassumeva così il protocollo definitivo che sarebbe stato seguito. Furono scelti i laboratori di Oxford, Tucson, Zurigo (tutti e tre utilizzavano il metodo di misurazione AMS). Il prelievo dei campioni avvenne il 21 aprile 1988 nella sacrestia del Duomo di Torino da Franco Testore, docente di tecnologia dei tessuti presso il Politecnico di Torino, e Giovanni Riggi di Numana, microanalista. Il primo effettuò le operazioni di pesatura, mentre il secondo eseguì materialmente il taglio.
Presenti tra gli altri all'operazione, oltre ai due scienziati summenzionati, c'erano il cardinale Ballestrero con quattro sacerdoti, Luigi Gonella, il rappresentante dell'Accademia Pontificia delle Scienze, i fotografi e il cineoperatore. Erano inoltre presenti: il prof. Renato Dardozzi, membro della Pontificia Accademia delle Scienze, il prof. Franco Testore, titolare della cattedra di Tecnologie Tessili al Politecnico di Torino, il dott. Gabriel Vial, direttore del Museo dei Tessuti Antichi di Lione, i professori Robert Hedges e Edward Hall, responsabili del Laboratorio di Radiodatazione dell'Università di Oxford, e il dott. Michael Tite, Direttore del Laboratorio di Ricerca del British Museum di Londra, i proff. P. Damon e D. Donahue dei dipartimenti di Geoscienze e Fisica dell'Università dell'Arizona e il prof. W. Woelfli del dipartimento di Fisica del Politecnico di Zurigo.

Furono tagliate delle strisce di circa 10 mm x 70 mm. Contestualmente vennero divisi anche i tre campioni di controllo ovvero:

  • un frammento di tessuto proveniente da una sepoltura nubiana, scoperto nel 1964 e datato intorno al 1100 dopo Cristo;
  • un pezzo del bendaggio di una mummia egiziana del II secolo dopo Cristo.
  • alcuni fili prelevati dal mantello di san Luigi d'Angiò, conservato nella basilica di Saint Maximin, Var, Francia, datato tra il 1290 e il 1310.

I campioni di controllo vennero esaminati al microscopio per togliere ogni eventuale contaminazione.

I tre pezzi della Sindone e i sei ricavati dai primi due campioni di controllo furono quindi inseriti in nove cilindri metallici numerati, senza alcuna indicazione del loro contenuto. I pezzi del terzo campione di controllo (mantello di san Luigi d'Angiò) invece furono consegnati senza essere chiusi in cilindri.  Il 13 ottobre 1988, durante una conferenza stampa, il cardinale Ballestrero annunciò i risultati: il carbonio 14 ha fornito una datazione compresa tra il 1260 e il 1390, con una confidenza del 95%.