Quando nos deparamos com estudos relacionados seja a atividade do homem na pré-história ou a descoberta de fósseis de organismos que a milhares de anos já não mais existem, é comum encontramos escalas de tempo que vão muito além daquilo que abrange nosso tempo de vida e o registro histórico. Estamos bastante familiarizados com o evento de extinção dos dinossauros em decorrência do impacto de um meteoro com a terra, por volta de 66 milhões de anos atrás, ou com a origem da vida por volta de 4 bilhões de anos e, em escala mais recente, com o início da agricultura e domesticação de plantas e animais, por volta de  10 mil anos atrás. Contudo, como podemos afirmar que tais eventos de fato ocorreram em épocas tão remotas? Épocas que fogem aos registros históricos? Muito convenientemente a natureza nos proveu relógios naturais que nos fornecem evidências muito claras de quando tais eventos teriam ocorrido. Tais relógios são os elementos químicos radioativos, ou isótopos radioativos.

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Como discutido no texto "Conexão Cósmica", elementos químicos são formados por prótons, elétrons e nêutrons. Elementos radioativos possuem um núcleo instável. Porém, todo sistema instável tende a estabilidade e, como tal, estes elementos químicos também. No processo de se tornarem estáveis, libaram energia e partículas se transformando em outros elementos químicos (elemento filho). A este processo dá-se o nome de transmutação.

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Durante o processo de transmutação um isótopo (forma de um elemento químico) radioativo emite três principais tipos de radiação: radiação alfa, beta e gama. Durante o decaimento alfa, o núcleo ejeta uma particula composta por dois prótons e dois nêutrons. Esta partícula recebe o nome de partícula alfa. No decaimento beta, um nêutron do núcleo atômico é quebrado em um elétron e um próton. Neste processo, somente o elétron, então, é ejetado do núcleo, recebendo o nome de partícula beta. Em ambos decaimento alfa e beta há perda de massa por parte do isótopo, já que ele está perdendo elementos do núcleo. Já no decaimento gama, não há perda de massa. A energia é liberada na forma de energia eletromagnética. Este tipo de radiação é comumente utilizada em exames de detecção por imagem, por exemplo.

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Embora não seja possível prever quando um único átomo sofrerá transmutação, é possível predizer a meia-vida de um conjunto de átomos de um dado elemento, uma vez que estes sofrem transmutação em uma taxa constante desde o momento em que foram formados. A meia-vida é o tempo que dado elemento leva para que metade de seus átomos se transforme em outro elemento. Tomemos como exemplo o famoso isótopo Carbono 14. O Carbono 14 (14C), quando sofre transmutação, se transforma em Nitrogênio 14 (14N). O tempo necessário para que, digamos, 100g de Carbono 14 se transforme em 50g de 14C e 50g de 14N é de 5.730 anos. Assim, dizemos que a meia-vida do Carbono 14 é de 5.730 anos. Assim, é possível calcular a idade de ossos ou conchas por exemplo. Sabendo a que taxa ocorre este decaimento e qual a quantidade deste elemento em uma substância, basta calcular o quanto resta deste elemento. Mas note que o Carbono 14 só pode ser utilizado para estimar o tempo de substâncias relativamente recentes (até cerca de 70.000 anos). Para estimar outros elementos, como rochas é necessário a utilização de isótopos com meia vida muito mais longa.

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A meia-vida de isótopos radioativos varia de yoctosegundos (10-24) a septilhões de anos (1024) - como no caso do Telúrio 128 que tem uma meia vida de 2,2 septilhões de anos. Por exemplo, o isótopo Tório 232 tem uma meia-vida de 14,05 bilhões de anos, enquanto a meia-vida do isótopo Oxigênio 13 é de apenas 8.58 milissegundos. (Para mais informações sobre isótopos e suas meias-vidas, cheque a tabela no seguinte link: http://w.astro.berkeley.edu/~dperley/areopagus/isotopetable.html)

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O que torna o uso deste princípio para a datação de amostras ainda mais confiável é o fato de que diferentes elementos possuem dististos tempos de meia vida. Como dito acima, essa meia-vida de pode variar da ordem de milésimos de segundos a bilhões de anos. Assim, para maiores escalas temporais, isótopos com meia-vida mais longas são utilizados, como a datação por Potássio-Argônio, que permite datações que vão de 1 mil até bilhões de anos. Ainda, para aumentar a precisão das medições, normalmente, mais de um isótopo e seus produtos filhos são levados em consideração.  A sobreposição de resultados do decaimento de diferentes isótopos pai em isótopos filho aumenta a precisão dos resultados. O processo de determinação de idade de amostras por meio da razão isótopos pai/isótopos filhos recebe o nome de datação radiométrica.

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Mas então quando inicia a contagem do relógio? Bem, isso depende do isótopo. Para isótopos de Potássio, por exemplo, o relógio começa a contar a partir do momento que a lava é resfriada e dá origem a rocha. A partir deste momento, o Argônio produzido no decaimento do Potássio é retido na rocha e pode vir a ser usado para estabelecer a idade da mesma. Para o Carbono 14, contudo, a situação é diferente. Quando nêutrons térmicos provenientes da radiação cósmica atingem átomos de 14N nas camadas superiores da atmosfera terrestre, estes se tornam 14C. O 14C então é incorporado no ciclo do carbono, pela fotossíntese, sendo transformado em tecidos vegetais, que por sua vez podem ser consumidos por herbívoros e, se for o caso, por carnívoros. Desta forma, a quantidade de 14C atmosférico é relativa àquela presente nos seres vivos no momento da morte (uma parte por trilhão). Então, no caso do Carbono 14, o relógio começa a contar quando o organismo morre e deixa de realizar trocas com o meio. Por isso podemos estimar o tempo de uma ossada humana ou dos restos (de alimento) de uma civilização, por exemplo. Já para um fóssil de dinossauro, como vimos, temos de apelar para outros elementos.

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É fascinante pensar que, com base no entendimento de tais processos, podemos acessar informações precisas sobre eventos que ocorreram antes mesmo da formação do sistema solar e que fornecem detalhes de tempos que vão muito além daquilo que nos deparamos corriqueiramente.

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Para mais informações, acesse a bibliografia abaixo:

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http://edtech2.boisestate.edu/lindabennett1/502/nuclear%20chemistry/types%20of%20decay.html

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http://w.astro.berkeley.edu/~dperley/areopagus/isotopetable.html

 

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/radact.html

 

http://www2.lbl.gov/abc/wallchart/chapters/13/4.html

 

http://geomaps.wr.usgs.gov/parks/gtime/radiom.html

 

http://www.nature.com/scitable/knowledge/library/dating-rocks-and-fossils-using-geologic-methods-107924044

 

http://www.earthobservatory.sg/faq-on-earth-sciences/how-do-we-know-age-seafloor

The Greatest Show on Earth: The Evidence for Evolution. By Richard Dawkins.