Università degli studi di Torino Corso SIS AA 2003-2004 Laboratorio di Fisica Nucleare prof. Maina...
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![Page 1: Università degli studi di Torino Corso SIS AA 2003-2004 Laboratorio di Fisica Nucleare prof. Maina Specializzanda: Sandra Bramardi sandra.bramardi@libero.it.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062404/5542eb50497959361e8c006f/html5/thumbnails/1.jpg)
Università degli studi di TorinoCorso SIS AA 2003-2004
Laboratorio di Fisica Nucleare
prof. Maina
Specializzanda: Sandra [email protected]
Studio di isotopi nella variazione climatica Studio di isotopi nella variazione climatica e datazione di core di sedimento e datazione di core di sedimento
La scelta didattica che intendo seguire consente di trattare due temi inerenti la fisica nucleare analizzando in dettaglio una applicazione pratica attraverso la quale i ragazzi possono toccare con mano l’importanza dei concetti studiati e analizzarli in maniera approfondita.
•lo studio degli isotopi
•il fenomeno della radioattività naturale
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Prerequisiti richiesti Saper leggere a grandi linee la tavola periodica degli elementi Conoscere la differenza tra atomi e molecole Conoscere alcuni elementi chimici composti, come l’acqua Conoscere alcune semplici trasformazioni chimiche Saper leggere un grafico o costruirne uno in base all’andamento di una determinata funzione Conoscenze statistiche di base, in particolare sapere calcolare un fit lineare
Obiettivi didattici Conoscere i componenti del nucleo Conoscere il significato fisico di N, Z, A Conoscere il significato fisico di isotopo Saper valutare la presenza in natura di alcuni isotopi e capire le cause Studiare particolari problematiche fisiche sfruttando il frazionamento isotopico Conoscere le leggi fisiche legate alla radioattività naturale Conoscere le caratteristiche delle particelle alfa e beta Saper analizzare la catena radioattiva dell’uranio e analizzare in dettaglio alcuni dei decadimenti intermedi, in base a esigenze sperimentali Capire il fenomeno del decadimento radioattivo legato alla datazione di core di sedimento Interpretare fisicamente la tavola periodica degli elementi
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PARTICELLE COMPOSTE
PARTICELLE ELEMENTARI
atomo
nucleo
elettrone
nucleoni
neutrone
protone
quark
N=A-Z
Z
A=N+Z
Idrogeno deuterio trizio
ISOTOPI
NUCLEI
due nuclei aventi lo stesso valore di Z e diversi valori di A, cioè costituiti dello stesso numero di protoni ma da un numero diverso di
neutroni
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FRAZIONAMENTO ISOTOPICO
E’ il rapporto tra due isotopi di un elemento, di cui uno è il più abbondante in natura.
Per l’OSSIGENO si ha:
31618
1618161818 10*
/
//
SMOW
SMOWsample
OO
OOOOO
Dipende dalla temperatura
Per il CARBONIO si ha:
31213
1213121313 10*
/
//
PDB
PDBsample
CC
CCCCC
Dipende dalla produttività biologica (biomassa) e dall’insolazione a terra
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SPETTROMETRO DI MASSA
I campioni opportunamente controllati e trattati vengono inseriti nello spettrometro di massa per la misura del frazionamento isotopico.
MISURA CON LO SPETTROMETRO DI MASSA:
• trasformazione del CaCO3 in fase gassosa (CO2)
• purificazione del gas
• separazione isotopica del gas
CORREZIONE RISPETTO AGLI STANDARD DEI VALORI OTTENUTI
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I carbonati cadendo nell’acido generano la seguente reazione chimica: CaCO3 + H3PO4 = CO2 + H2O + ...
SPETTROMETRO DI MASSA
Il campione cade nell’acido fosforico iperpuro
Il sistema agisce in condizione di vuoto spinto
Il trattamento termico a -90°C congela l’acqua
I due gas sono connessi alla ion source tramite sottili capillari e l’uguale pressione permette di avere identici bersagli all’interno dello ion source.
Nella ion source la CO2 pura viene ionizzata a CO2+.
Il fascio viene deflesso dal campo magnetico
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SPETTROMETRO DI MASSA
• il fascio viene deflesso e separato nelle componenti isotopiche principali:
44(12C16O16O)
45(13C16O16O)
46(12C16O18O)
• il rapporto 46/44 e 45/44, riferiti allo standard, forniscono il valore di O e C del campione
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-1.00E-01
-5.00E-02
0.00E+00
5.00E-02
1.00E-01
1.50E-01
1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
year (AD)
-5.00E-02
-4.00E-02
-3.00E-02
-2.00E-02
-1.00E-02
0.00E+00
1.00E-02
2.00E-02
3.00E-02
4.00E-02
5.00E-02
18O
Tatm
— onda di 200 anni ricostruita dalle anomalie di temperatura globale (Mann, Bradley e Hughes, 1998)
— onda ricostruita (componenti 1,2) dei 200 anni della serie di 18O nei Globigerinoides ruber
Le due onde sono in fase.
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Confronto tra i valori di δ13C del core GT90-3 e il numero annuo di giorni con pioggia > di 2 mm sulla piattaforma di Gallipoli (dati storici dalla stazione meteorologica di Lecce).
C = 0.02 x 12 W/m2 = 0.24‰
Formula sperimentale di Spero (1993) tra illuminamento in vitro e C:
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RADIOATTIVITÀ NATURALE
La radioattività consiste nel fatto che i nuclei di alcuni elementi con Z>80 emettono, a un certo istante, un corpuscolo, trasformandosi spontaneamente nel nucleo di un altro elemento.
• particelle alfa, cioè nuclei di atomi di elio
• particelle beta, cioè elettroni
epn 11
10
42
22286
22688 RnRa
N
N0
N0/2
T1/2
T1/2 = periodo di dimezzamento
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Gli elementi radioattivi che si osservano in natura (come il radio, il radon, ecc.) fanno parte di tre famiglie radioattive, che sono indicate con i nomi dei loro capostipiti:
famiglia dell’uranio (U) famiglia del torio (Th) famiglia dell’attinio (Ac)
L’ultimo componente di ciascuna famiglia è un isotopo stabile dell’elemento piombo (Pb, Z=82).
210Pb T1/2 = 22.3 y
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DATAZIONE DEI CORE
I sedimenti marini sono datati attraverso il
METODO RADIOMETRICO:
•metodo del 210Pb e del 137Cs
consente la datazione su 200 anni circa trovando il rateo di sedimentazione.
La presenza del 210Pb nei sedimenti di recente estrazione ha due sorgenti principali:a) fall out dall’atmosfera: il 210Pb prodotto dal decadimento del 222Rn emanato in atmosfera si deposita nel sedimentob) decadimento in situ del 226Ra
l’attività è valutata con la misura del b di alta energia del figlio 210Bi (T1/2 = 5.013 d) in equilibrio secolare, con
rivelatore b a basso fondo
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Misura dell’attività del 210Pb nel core GT 14 in funzione della profondità del sedimento. Le linee tratteggiate e continue indicano l’attività totale e quella in eccesso; la linea tratto-punto è il fit dell’attività in eccesso. Nell’angolo inferiore sinistro viene riportata l’attività del 137Cs (Bonino el al., 1993).
Per profondità superiori a 17-18 cm l’attività risulta praticamente costante e corrisponde all’attività del 210Pb supportata in situ dal 226Ra
rateo di sedimentazione: s = 0.064 cm/y
DATAZIONE DEI CORE
con precisione di ~ 5%