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Università degli studi di Torino Corso SIS AA 2003-2004 Laboratorio di Fisica Nucleare prof. Maina Specializzanda: Sandra Bramardi

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Presentazione sul tema: "Università degli studi di Torino Corso SIS AA 2003-2004 Laboratorio di Fisica Nucleare prof. Maina Specializzanda: Sandra Bramardi"— Transcript della presentazione:

1 Università degli studi di Torino Corso SIS AA Laboratorio di Fisica Nucleare prof. Maina Specializzanda: Sandra Bramardi Studio di isotopi nella variazione climatica 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 limportanza dei concetti studiati e analizzarli in maniera approfondita. lo studio degli isotopi il fenomeno della radioattività naturale

2 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 lacqua Conoscere alcune semplici trasformazioni chimiche Saper leggere un grafico o costruirne uno in base allandamento 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 delluranio 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

3 PARTICELLE COMPOSTE PARTICELLE ELEMENTARI atomo nucleo elettrone nucleoni neutrone protone quark N=A-Z Z A=N+Z Idrogeno deuteriotrizio 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

4 FRAZIONAMENTO ISOTOPICO E il rapporto tra due isotopi di un elemento, di cui uno è il più abbondante in natura. Per lOSSIGENO si ha: Dipende dalla temperatura Per il CARBONIO si ha: Dipende dalla produttività biologica (biomassa) e dallinsolazione a terra

5 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 CaCO 3 in fase gassosa (CO 2 ) purificazione del gas separazione isotopica del gas CORREZIONE RISPETTO AGLI STANDARD DEI VALORI OTTENUTI

6 I carbonati cadendo nellacido generano la seguente reazione chimica: CaCO 3 + H 3 PO 4 = CO 2 + H 2 O +... SPETTROMETRO DI MASSA Il campione cade nellacido fosforico iperpuro Il sistema agisce in condizione di vuoto spinto Il trattamento termico a -90°C congela lacqua I due gas sono connessi alla ion source tramite sottili capillari e luguale pressione permette di avere identici bersagli allinterno dello ion source. Nella ion source la CO 2 pura viene ionizzata a CO 2 +. Il fascio viene deflesso dal campo magnetico

7 SPETTROMETRO DI MASSA il fascio viene deflesso e separato nelle componenti isotopiche principali: 44( 12 C 16 O 16 O) 45( 13 C 16 O 16 O) 46( 12 C 16 O 18 O) il rapporto 46/44 e 45/44, riferiti allo standard, forniscono il valore di O e C del campione

8

9 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 18 O nei Globigerinoides ruber Le due onde sono in fase.

10 Confronto tra i valori di δ 13 C 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/m 2 = 0.24 Formula sperimentale di Spero (1993) tra illuminamento in vitro e C:

11 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 N N0N0 N 0 /2 T 1/2 = periodo di dimezzamento

12 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 delluranio (U) famiglia del torio (Th) famiglia dellattinio (Ac) Lultimo componente di ciascuna famiglia è un isotopo stabile dellelemento piombo (Pb, Z=82). 210 Pb T 1/2 = 22.3 y

13 DATAZIONE DEI CORE I sedimenti marini sono datati attraverso il METODO RADIOMETRICO: metodo del 210 Pb e del 137 Cs consente la datazione su 200 anni circa trovando il rateo di sedimentazione. La presenza del 210 Pb nei sedimenti di recente estrazione ha due sorgenti principali: a) fall out dallatmosfera: il 210 Pb prodotto dal decadimento del 222 Rn emanato in atmosfera si deposita nel sedimento b) decadimento in situ del 226 Ra lattività è valutata con la misura del b di alta energia del figlio 210 Bi (T 1/2 = d) in equilibrio secolare, con rivelatore b a basso fondo

14 Misura dellattività del 210 Pb nel core GT 14 in funzione della profondità del sedimento. Le linee tratteggiate e continue indicano lattività totale e quella in eccesso; la linea tratto-punto è il fit dellattività in eccesso. Nellangolo inferiore sinistro viene riportata lattività del 137 Cs (Bonino el al., 1993). Per profondità superiori a cm lattività risulta praticamente costante e corrisponde allattività del 210 Pb supportata in situ dal 226 Ra rateo di sedimentazione: s = cm/y DATAZIONE DEI CORE con precisione di ~ 5%


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