Datation radioactive
Les premiers essais de datation radioactive coïncident quasiment avec les premiers pas de la radioactivité sur la scène scientifique. La datation semble une des applications les plus naturelles de la radioactivité. La désintégration d'un élément radioactif obéit à la loi de décroissance exponentielle formulée en 1902 par Ernest Rutherford et Frederick Soddy. Ce phénomène régulier permet en principe de dater des événements que l'on peut associer à la production ou à l'accumulation d'un élément radioactif en un lieu donné et dont l'âge est de l'ordre de grandeur de la demi-vie de cet élément. Dès 1905, dans son cours à l'université de Yale, Rutherford propose de dater des minéraux grâce à la radioactivité : « L'hélium observé dans les minéraux radioactifs est presque certainement dû à sa production par le radium et les autres substances radioactives contenus dans ces minéraux. Si le taux de production de l'hélium en fonction du poids des divers radioéléments était connu expérimentalement, il devrait être possible de déterminer l'intervalle de temps requis pour produire la quantité d'hélium observée dans des minéraux radioactifs, ou, autrement dit, de déterminer l'âge du minéral » (traduction de G.B. Dalrymple, The age of the Earth, Stanford University Press, Stanford, 1991, pp.70-71).
Datation radioactive et géologie
La maîtrise du temps transforme la géologie. L'étude des couches de terrain superposées (ou stratigraphie) donne l'âge relatif des couches, à savoir leur ordre chronologique, mais pas leur durée ou leur ancienneté à part des estimations grossières qui supposent une vitesse de formation constante. Par contre, la datation de minéraux contenant des éléments radioactifs de longue demi-vie donne, dès la fin des années 1910, une estimation raisonnable des durées géologiques en âge absolu (de l'ordre de 100 millions d'années), c'est-à-dire qu'il devient possible de délimiter les durées géologiques à l'aide de repères temporels sur l'axe d'un calendrier.
Mesure de l’âge de la Terre
Depuis le XIXe siècle, la question de l'âge de la Terre est un sujet de controverse passionnée. En 1921, Henry N. Russell suppose qu'une large portion de la croûte terrestre peut être traitée comme un réservoir unique et datée grâce au rapport entre parents radioactifs (uranium et thorium) et descendants stables (plomb) en supposant que la roche ne contient pas de plomb lors de sa formation. Il calcule un âge de la Terre compris entre 1 et 8 milliards d'années. Un comité sur l'âge de la Terre formé en 1931 conclut à la supériorité de la nouvelle méthode de datation de la Terre sur les anciennes. Suite à l’étude par Alfred O. Nier des isotopes du plomb (1938) puis au modèle proposé par Arthur Holmes et Friedrich Houtermans (1946), les travaux sur l'âge de la Terre aboutissent dans les années 1950 lorsque les chercheurs disposent de tous les outils nécessaires : la connaissance de la chaîne de désintégration des isotopes naturels de longue demi-vie (de l'ordre du milliard d'années) ainsi que les bons instruments de mesure. Comme la roche primordiale a été entièrement détruite par les mouvements de l'écorce terrestre et les processus sédimentaires, les tentatives de mesure directe de l'âge de la Terre sont vouées à l'échec. En 1956, Clair Patterson utilise la méthode uranium/plomb pour dater une météorite en supposant qu'elle vient d'une planète formée à peu près en même temps que la Terre et estime l'âge de la Terre à 4,55 milliards d'années à 70 millions d'années près.