Os métodos de datação podem ser de dois tipos:
Relativos
Radiométricos (absolutos).
Os métodos relativos fixam os acontecimentos numa escala de "antes e depois", de tal maneira que os possamos ordenar. Contudo, não permitem estabelecer a duração desses acontecimentos. Através do método radiométrico calcula-se o número real de unidades de tempo (anos) decorridas desde a ocorrência de um acontecimento. De uma maneira geral, esse cálculo é feito por métodos radioativos.
Os métodos de datação radiométrica, radioisotópica ou isotópica permitem-nos datar as formações rochosas com uma margem de erro pequena, à escala do tempo geológico, e devem o seu progresso ao estudo da química isotópica, que, com a espetrografia de massa, consegue a determinação quantitativa dos isótopos de uma determinada substância em função da sua massa atómica.
Em 1896, Becquerel observou que o urânio contido nos minerais era capaz de impressionar as películas fotográficas. Associou este fenómeno com as propriedades dos raios X. Mais tarde demonstrou-se que o urânio se desintegra espontaneamente e emite energia na forma de partículas e radioatividade. As partículas emitidas são núcleos de hélio (raios alfa) e electrões (raios beta). A radiação magnética realiza-se sob a forma de raios gama.
Em 1905, o físico inglês Rutherford, após ter definido a estrutura do átomo, fez a primeira sugestão para usar a radioatividade como uma ferramenta para medir diretamente o tempo geológico.
Posteriormente, em 1907, o professor B. B. Boltwood, radioquímico da Universidade de Yale, publicou uma lista das idades geológicas baseadas na radioatividade.
A datação radiométrica com grau de precisão aceitável (2 a 5% da idade real) foi realizada a partir de 1950, quando o espectrómetro de massa foi desenvolvido. A ciência que faz a datação radiométrica das rochas denomina-se Geocronologia.
Um elemento químico é um átomo que apresenta um número determinado de protões no seu núcleo. No entanto podem existir vários átomos do mesmo elemento químico diferentes entre si, porque o número de neutrões pode variar. Os átomos do mesmo elemento químico que apresentam um número de neutrões diferente são chamados isótopos.
A desintegração (decaimento) radioativa é um processo espontâneo em que um isótopo de um elemento (pai) perde partículas de seu núcleo para dar origem a um isótopo de um elemento novo (filho). A taxa de decaimento é expressa em termos de meia-vida (semivida) de um isótopo, isto é, o tempo necessário para que a radioatividade de uma determinada quantidade de um radionúcleo decaia para metade do seu valor inicial.
A maioria dos isótopos radioativos têm taxas rápidas de decaimento (isto é, meias-vidas curtas) e perdem a sua radioatividade dentro de alguns dias ou anos. Alguns isótopos, entretanto, decaiem lentamente, e alguns destes são usados na datação radiométrica das rochas.
Um outro método radioisotópico importante, usado com determinadas finalidades, é baseado no decaimento radioativo do isótopo carbono-14, que tem um tempo de meia-vida de 5.730 anos. Este método do radiocarbono transformou-se numa ferramenta extremamente útil e eficiente para datar os episódios importantes da Préhistória e História do Homem. Por causa da meia-vida relativamente curta do carbono-14, o método só pode ser usado para datar os eventos que ocorreram nos últimos 50 000 anos.
O elemento carbono faz parte de toda a matéria viva. As plantas retiram o dióxido de carbono (CO2) da atmosfera. Os animais ingerem as plantas e o ser humano ingere plantas e animais.
O carbono que existe na Terra, presente no ar, nas rochas e nos seres vivos, tem três isótopos, cuja abundância é a seguinte:
Carbono-12 (C-12): 99%
Carbono-13 (C-13): 1% (aprox)
Carbono-14 (C-14): 0,001%
O C-14 é muito raro mas tem uma vantagem: dos três isótopos do carbono é o único radioativo.
O processo de formação do C-14 na Terra foi explicado em 1946 pelo americano Willard Libby. A atmosfera da Terra é constantemente bombardeada por partículas sub-atómicas vindas do exterior, os chamados "raios cósmicos". Parte desses raios cósmicos são protões de alta velocidade, vindos do Sol ou de locais longínquos do universo. Esses protões, quando atingem as camadas mais altas da nossa atmosfera, colidem com os átomos que vão encontrando e, nas colisões, arrancam neutrões dos núcleos desses átomos. Os neutrões arrancados, por sua vez, colidem com os núcleos dos átomos de azoto (ou nitrogénio) da atmosfera.
É a reação entre o núcleo de azoto e o neutrão que forma o isótopo Carbono-14 e ainda um átomo de hidrogénio.
O carbono-14 resultante dessa reação combina-se com o oxigénio do ar e forma uma molécula de dióxido de carbono. O gás formado dispersa-se na atmosfera e poderá ser absorvido pelas plantas, no processo de fotossíntese. Portanto, as plantas absorvem uma pequeníssima, porém constante, quantidade de C-14, na mesma proporção que ele existe na atmosfera. Os animais, nós inclusive, comem as plantas e absorvem a mesma proporção de C-14. Acontece que o carbono-14 é radioativo. A sua radioatividade consiste na emissão de uma partícula beta, fazendo com que o carbono se transforme novamente em azoto.
Libby concluiu que enquanto o animal ou planta está vivo , o seu organismo contém uma pequena quantidade de carbono-14, na mesma proporção que existe em equilíbrio na atmosfera, e quando morre, ao deixar de respirar, pára de absorver carbono, tanto na forma de carbono-12 quanto na de carbono-14. Ora, o carbono-14 é radioativo e o carbono-12 não é. Portanto, depois que a planta ou animal morre, o carbono-14 presente em seu corpo vai sendo gradualmente transformado em azoto, que não é radioativo.
Foi assim que surgiu o método de datação por carbono-14, idealizado por Libby. Sabemos com precisão qual é a proporção de carbono-14 num ser vivo, planta ou animal. É a mesma que existe em equilíbrio na atmosfera. Essa proporção, no entanto, começa a mudar a partir do momento em que o organismo morre. Nesse instante, é acionado um relógio nuclear que consiste na percentagem decrescente de carbono-14 no organismo que morreu. Para saber há quanto tempo ele morreu basta medir, de alguma forma, a quantidade de carbono-14 que resta no seu corpo ou parte dele.
Por exemplo, se tivermos uma amostra de madeira tirada de uma árvore que morreu há muito tempo, comparamos a proporção de C-14 nessa madeira com a proporção de C-14 em árvores vivas e, usando um gráfico exponencial saberemos quantos anos se passaram desde que a árvore morreu. Na verdade, o método de Libby não consiste em contar diretamente quantos átomos de C-14 permanecem na amostra, mas em vez disso medir a radioatividade da amostra.