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

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Presentazione sul tema: "Le Tecnologie per la Datazione Roberto Francini Il Tempo – 24 febbraio 2010."— Transcript della presentazione:

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

2 Datazione: ovvero la determinazione delletà di una roccia, di un fossile, di un manufatto, di resti biologici, di un fenomeno geologico…… Il Tempo – 24 febbraio 2010

3 Metodi di datazione relativi: stabiliscono letà di un reperto in relazione ad un altro, in genere posteriore. Per esempio: Metodo stratigrafico Metodo paleontologico Metodo litologico Il Tempo – 24 febbraio 2010

4 Metodi di datazione assoluta: permettono di stabilire, seppure con un certo grado di approssimazione, letà effettiva di un determinato reperto. Il Tempo – 24 febbraio 2010

5 Necessità quindi di trovare un orologio naturale, indipendente dalla storia chimica e fisica del reperto. Qualcosa in cui avvenga un trasformazione (quindi cè un prima e un dopo temporale della trasformazione) Possibili candidati. I sistemi atomici. Perché ? Il Tempo – 24 febbraio 2010

6 Le trasformazioni che coinvolgono la struttura elettronica degli atomi (transizioni fra diversi stati energetici) avvengono in tempi molto brevi, dellordine 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 2010

7 La radioattività Becquerel ( ~ 1896) Pierre e Marie Curie, Rutherford Decadimento alfa: Alcuni nuclei con Z elevato ( >80) emettono spontaneamente particelle alfa (un isotopo dellElio: 4 2 He) con due protoni e due neutroni. Lelemento di partenza si trasforma in un altro elemento, spesso a sua volta instabile: Es U a Th Il Tempo – 24 febbraio 2010

8 Decadimento beta: Il decadimento b consiste nellemissione 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 Th Pa + e - + antineutrino Il Tempo – 24 febbraio 2010

9 Isotopi radioattivi ELEMENTONUCLIDETEMPO DIMEZZAMENTO TIPO DI DECADIMENTO Calcio Ca164 giornibeta Carbonio 14 6 C5730 annibeta Cesio Cs30 annibeta, gamma Fosforo P14.3 giornibeta Idrogeno 3 1 H (trizio)12.26 annibeta Iodio I8.07 giornibeta Potassio K1.3 x 10 9 annibeta, gamma Radio Ra1590 annialfa Radon Rn3.82 giornialfa, gamma Sodio Na15 orebeta Stronzio Sr28.1 annibeta Tecnezio Tc6.02 oregamma Torio Th8 x 10 4 annialfa, gamma Uranio U4.51 x 10 9 annialfa Il Tempo – 24 febbraio 2010

10 Example of a radioactive decay chaindecay chain from lead-212 ( 212 Pb) to lead-208 ( 208 Pb). Each parent nuclide spontaneously decays into a daughter nuclide (the decay product) via an αdecay productα decaydecay or a β decay.β decay The final decay product, lead-208 ( 208 Pb), is stable and can no longer undergo spontaneous radioactive decay. Le sequenze di decadimento possono essere molto complicate Il Tempo – 24 febbraio 2010

11 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 Il Tempo – 24 febbraio 2010

12 Decadimento Esponenziale Una quantità si dice soggetta a decadimento esponenziale se essa decresce nel tempo con una rapidità proporzionale al suo stesso valore Questa affermazione equivale alla equazione differenziale: Dove: N = la quantità in esame l = costante di decadimento, o di disintegrazione Il Tempo – 24 febbraio 2010

13 La soluzione di questa Eq. differenziale è: Compare esplicitamente il tempo N 0 è il valore della quantità al tempo t = 0 Il Tempo – 24 febbraio 2010

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15 Dalla espressione del decadimento, si possono ricavare due tempi caratteristici: 1 -Tempo di vita medio, o vita media: 2 – Tempo di dimezzamento: Il Tempo – 24 febbraio 2010

16 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. Il Tempo – 24 febbraio 2010

17 fra i più noti: quelli incentrati sulla datazione radiometrica, in particolare quelli basati sul 14 C, 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. Il Tempo – 24 febbraio 2010

18 Sistemi di datazione La valutazione delletà 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 anni fa fino a più di 5 milioni di anni fa). Il Tempo – 24 febbraio 2010

19 Lorologio che segna il tempo archeologico, basato sul decadimento radioattivo, impiega radioisotopi naturali come uranio, torio, radio, potassio, o lisotopo cosmogenico del carbonio, il 14 C. Il Tempo – 24 febbraio 2010

20 I limiti di età databile dipendono dal radioisotopo impiegato. Con il 14 C lintervallo 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 dellordine di anche milioni di anni dal presente, si applica il metodo del potassio-argon. Il Tempo – 24 febbraio 2010

21 Metodo del radiocarbonio (o metodo del carbonio 14) La datazione al radiocarbonio, è dunque un metodo di datazione che impiega lisotopo 14 C presente in natura (cosmogenesi) I dati grezzi, non calibrati, vengono in genere riportati come anni di radiocarbonio BP (Before Present = prima di oggi) dove loggi è convenzionalmente definito come lanno Uno degli impieghi più frequenti di questo metodo, è la stima della età di resti organici provenienti da siti archeologici Il Tempo – 24 febbraio 2010

22 Quando le piante fissano il CO 2 atmosferico nel loro materiale organico durante la fotosintesi, esse incorporano anche una quantità di 14 C che è approssimativamente uguale, in percentuale, a quella presente nellatmosfera. Una volta che la pianta muore o viene consumata da un altro organismo (anche umano) la frazione di isotopo instabile 14 C decade 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 dallanno 1949, da Willard Libby (successivamente Nobel per la Chimica, 1960) Il Tempo – 24 febbraio 2010

23 Perché il contenuto di carbonio 14 nellatmosfera è quasi costante? Cosmogenesi: Il carbonio ha due isotopi stabili: 12 C e 13 C. Lisotopo instabile 14 C 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. Il Tempo – 24 febbraio 2010

24 Approssimazioni: -Il flusso di raggi cosmici è considerato costante su lunghi periodi di tempo -Quindi il carbonio 14 viene prodotto ad un ritmo costante mantenendo costante la proporzione tra carbonio radioattivo e carbonio stabile: 1 parte per La riserva di scambio del carbonio 14 è costante su tutto il globo (ipotesi di Libby). Il Tempo – 24 febbraio 2010

25 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.New ZealandAustria 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. Il Tempo – 24 febbraio 2010

26 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 a re dated and/or tracked using the N- & S- Hemisphere graphs. Il Tempo – 24 febbraio 2010

27 Il primo metodo di datazione con il 14C è stato il RID (Radio isotope dating) consiste nel misurare direttamente la debole radioattività 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. Il Tempo – 24 febbraio 2010

28 Al tempo zero (la morte dellorganismo) erano presenti in un rapporto noto i tre isotopi del carbonio, e cioè i due isotopi naturali 12 C e 13 C, stabili e quindi più abbondanti, e lisotopo cosmogenico radioattivo, 14 C. 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 letà del reperto viene determinata agevolmente. Il metodo moderno, che è molto più rapido e richiede prelievi molto modesti, consiste nel confrontare quantitativamente il 14 C sopravvissuto al momento dellesame e le quantità di isotopi naturali del carbonio anchessi presenti nel campione. Il Tempo – 24 febbraio 2010

29 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 letà del reperto e lerrore associato. Il Tempo – 24 febbraio 2010

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31 Grazie per lattenzione. Discipline che ricorrono alla tecnica del carbonio 14: -Archeologia -Geofisica -Geochimica -Studi ambientali -Cambiamenti globali -Glaciologia -Idrologia -Oceanografia -Geologia -…….. Il Tempo – 24 febbraio 2010


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