Le Tecnologie per la Datazione Roberto Francini Il Tempo – 24 febbraio 2010.

Le Tecnologie per la Datazione

Roberto Francini

Il Tempo – 24 febbraio 2010Il Tempo – 24 febbraio 2010

Datazione:

ovvero la determinazione dell’età

di una roccia, di un fossile, di un

manufatto, di resti biologici, di un

fenomeno geologico……


Metodi di datazione relativi:

stabiliscono l’età di un reperto in relazione ad un altro, in genere posteriore.

Per esempio: Metodo stratigraficoMetodo paleontologicoMetodo litologico


Metodi di datazione assoluta:

permettono di stabilire, seppure con un certo grado

di approssimazione, l’età effettiva

di un determinato reperto.


Necessità quindi di trovare un “orologio” naturale, indipendente dalla “storia” chimica e fisica del reperto.

Qualcosa in cui avvenga un trasformazione (quindi c’è un prima e un dopo temporale della trasformazione)

Possibili candidati. I sistemi atomici. Perché ?


Le trasformazioni che coinvolgono la struttura elettronica degli atomi (transizioni fra diversi stati energetici) avvengono in tempi molto brevi, dell’ordine di 10 – 8 – 10 – 3 secondi.

Le trasformazioni che avvengono a livello dei nuclei (decadimento radioattivo, nuclei instabili) possono avvenire in tempi che vanno dalle ore ai milioni di anni.Il Tempo – 24 febbraio

2010Il Tempo – 24 febbraio 2010

La radioattività Becquerel ( ~ 1896)

Pierre e Marie Curie, Rutherford

Decadimento alfa:

Alcuni nuclei con Z elevato ( >80) emettono spontaneamente particelle alfa

(un isotopo dell’Elio: 42 He) con due protoni e due neutroni.

L’elemento di partenza si trasforma in un altro elemento, spesso a sua volta instabile:

Es. 23892 U a + 234

90Th


Decadimento beta:

Il decadimento b consiste nell’emissione di un elettrone (decadimento b -) o di

un positrone ( decadimento b + ) in genere da parte di nuclei instabili che hanno

un numero di neutroni diverso dal numero di protoni. Il nucleo residuo è spesso

in uno stato a sua volta instabile da cui decade con emissione di radiazione g (fotoni).

Es. 23490 Th 234

91 Pa + e - + antineutrino


Isotopi radioattivi

ELEMENTO NUCLIDE TEMPO DIMEZZAMENTOTIPO DI

DECADIMENTO

Calcio 4520 Ca 164 giorni beta

Carbonio 146 C 5730 anni beta

Cesio 13755 Cs 30 anni beta, gamma

Fosforo 3215 P 14.3 giorni beta

Idrogeno 31 H

(trizio)12.26 anni beta

Iodio 13153 I 8.07 giorni beta

Potassio 4019 K 1.3 x 10 9 anni beta, gamma

Radio 22688 Ra 1590 anni alfa

Radon 22286 Rn 3.82 giorni alfa, gamma

Sodio 2411 Na 15 ore beta

Stronzio 9038 Sr 28.1 anni beta

Tecnezio 9943 Tc 6.02 ore gamma

Torio 23090 Th 8 x 10 4 anni alfa, gamma

Uranio 23892 U 4.51 x 10 9 anni alfaIl Tempo – 24 febbraio

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Example of a radioactive decay chain

from lead-212 (212Pb) to lead-208 (208Pb) . Each parent nuclide spontaneously decays into a

daughter nuclide (the decay product) via an α decay or a β− decay. The final decay product, lead-208 (208Pb), is stable and can no longer undergo spontaneous radioactive decay.

Le sequenze di decadimento possono essere molto complicate


Il decadimento radioattivo e il tempo

Meccanica Quantistica: ciascun nucleo instabile ha una certa probabilità

per unità di tempo di decadere (transizione dallo stato eccitato a quello a energia più bassa)

Ma non sappiamo “quando” avverrà il decadimento del singolo nucleo

Trattazione statistica


Decadimento Esponenziale

Una quantità si dice soggetta a decadimento esponenzialese essa decresce nel tempo

con una rapidità proporzionale al suo stesso valore

Questa affermazione equivale alla equazione differenziale:

Ndt

dN λ−=

Dove:N = la quantità in esamel = costante di decadimento, o di disintegrazione


La soluzione di questa Eq. differenziale è:

( ) teNtN λ−= 0Compare esplicitamente il tempo

N0 è il valore della quantitàal tempo t = 0


( ) teN

tN λ−=0

0 20 40 60 80 1000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

λ = 0.1

λ = 0.05

λ = 0.02

λ = 0.001

N / N0

Tempo (unità arbitrarie)Il Tempo – 24 febbraio 2010Il Tempo – 24 febbraio 2010

Dalla espressione del decadimento, si possono ricavaredue tempi caratteristici:

1 -Tempo di vita medio, o vita media:

λτ 1==mediot

2 – Tempo di dimezzamento:

2ln2/1 ⋅=τt


Archeometrìa Parte dell'archeologia che utilizza metodi,

tecniche e strumenti fisici, chimici, matematici e biologici.

Quelli che hanno apportato il maggiore contributo alla disciplina afferiscono senz'altro alla ricerca della datazione da assegnare ai vari materiali di interesse storico.


fra i più noti: quelli incentrati sulla datazione radiometrica, in

particolare quelli basati sul 14C, sulla termoluminescenza, sul magnetismo.

Fra le altre conoscenze scientifiche applicate possiamo inoltre

ricordare la correlazione tra idratazione e invecchiamento

(particolarmente adatto per le ossidiane), la fluorescenza,

l'assorbimento atomico, l'attivazione neutronica, la mappatura genetica, ecc.


Sistemi di datazione

La valutazione dell’età di un reperto antico viene effettuata con metodi diversi, la cui scelta dipende dalla natura del reperto e dalla presunta epoca di appartenenza. Questi metodi sono basati sui fenomeni della radioattività naturale che scandisce il passare degli anni, dei secoli e dei millenni, fino a risalire al Pliocene-Pleistocene ( da 12.000 anni fa fino a più di 5 milioni di anni fa).


L’orologio che segna il tempo archeologico,

basato sul decadimento radioattivo, impiega

radioisotopi naturali come uranio, torio,

radio, potassio, o l’isotopo cosmogenico del

carbonio, il 14C.


I limiti di età databile dipendono dal radioisotopo

impiegato. Con il 14C l’intervallo di datazione va da

“zero” a un massimo di cinquantamila anni dal

presente, con la termoluminescenza (TL) si va da

zero a un massimo di centomila anni. Per datare i

reperti più antichi, i fossili, la cui età è dell’ordine

di anche milioni di anni dal presente, si applica il

metodo del potassio-argon.


Metodo del radiocarbonio (o metodo del carbonio 14)

La datazione al radiocarbonio, è dunque un metodo di datazione che impiega l’isotopo 14C presente in natura (cosmogenesi)

I dati grezzi, non “calibrati”, vengono in genere riportaticome “anni di radiocarbonio” BP (Before Present = prima di oggi)

dove l’oggi è convenzionalmente definito come l’anno 1950.

Uno degli impieghi più frequenti di questo metodo, è la stimadella età di resti organici provenienti da siti archeologici


Quando le piante fissano il CO2 atmosferico nel loro materiale organico durante la fotosintesi, esse incorporano

anche una quantità di 14C che è approssimativamente uguale, in percentuale, a quella presente nell’atmosfera.

Una volta che la pianta muore o viene consumata da un altro organismo (anche umano)

la frazione di isotopo instabile 14Cdecade ad un ritmo esponenziale senza venire ripopolato.

Da un confronto della frazione residua confrontata con la frazione atmosferica,

si effettua una stima della età del campione.

La datazione al Carbonio 14 fu sviluppata a partire dall’anno 1949,da Willard Libby (successivamente Nobel per la Chimica, 1960)


Perché il contenuto di carbonio 14 nell’atmosfera è quasi costante?

Cosmogenesi: Il carbonio ha due isotopi stabili: 12C e 13C. L’isotopo instabile 14C ha un tempo di dimezzamento di circa 5730 anni, pertanto non dovrebbe essere presente sulla terra, in assenza di un meccanismo di ripopolazione. Questo meccanismo è fornito dai raggi cosmici.

pCNn +→+ + 146

1147


Approssimazioni:

-Il flusso di raggi cosmici è considerato costante su lunghi periodi di tempo

-Quindi il carbonio 14 viene prodotto ad un ritmo costantemantenendo costante la proporzione tra carbonio radioattivo e carbonio stabile:

1 parte per 1012

-La “riserva di scambio” del carbonio 14 è costante su tutto il globo (ipotesi di Libby).


Agenti perturbatori:

-fluttuazioni della magnetosfera, -erosione ed immersione di rocce (carbonati)-cambiamenti climatici, -attività umane,-equilibrio con gli oceani-eruzioni vulcaniche

Atmospheric 14C, New Zealand and Austria. The New Zealand curve is representative for the Southern Hemisphere, the Austrian curve is representative for the Northern Hemisphere. Atmospheric nuclear weapon tests almost doubled the concentration of 14C in the Northern Hemisphere.


Necessità della Calibrazione

Calibration curve for the radiocarbon dating scale. Data sources: Stuiver et al. (1998). Samples with a real date more recent than AD 1950 are dated and/or tracked using the N- & S-Hemisphere graphs.


Il primo metodo di datazione con il 14C è stato il RID (Radio isotope dating)

consiste nel misurare direttamente la deboleradioattività dovuta alla massa sopravvissuta di 14C. Questo metodo, in uso dagli anni cinquanta del XX

sec., richiede misurazioni molto lunghe ed è ormai in declino.


Al tempo zero (la morte dell’organismo) erano presenti in un rapporto noto i tre isotopi del

carbonio, e cioè i due isotopi naturali 12C e 13C, stabili e quindi più abbondanti, e l’isotopo

cosmogenico radioattivo, 14C. Con il passare del tempo i primi due restano in quantità costante,

mentre il terzo diminuisce per decadimento radioattivo. I loro rapporti variano nel tempo in

modo noto e quindi l’età del reperto viene determinata agevolmente.

Il metodo moderno, che è molto più rapido e richiede prelievi molto modesti, consiste nel

confrontare quantitativamente il 14C sopravvissuto al momento dell’esame e le quantità di isotopi naturali del carbonio

anch’essi presenti nel campione.


Questa metodica si basa sulla spettroscopia di massa con acceleratori ad alta energia (AMS, Accelerator mass spectroscopy). Allo scopo si impiega un acceleratore tandem dotato di una sorgente di ioni di carbonio, cioè i tre isotopi provenienti dal reperto da datare. Alla fine di una misurazione (cioè quando la sorgente è esaurita) si raccolgono i dati relativi ai tre canali, calcolando quindi mediante il computer i rapporti citati con le varie correzioni finali per stabilire l’età del reperto e l’errore associato.


Grazie per l’attenzione.

Discipline che ricorrono alla tecnica del carbonio 14:

-Archeologia-Geofisica-Geochimica-Studi ambientali-Cambiamenti globali-Glaciologia-Idrologia-Oceanografia-Geologia-……..


Le Tecnologie per la Datazione Roberto Francini Il Tempo – 24 febbraio 2010.

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