Università degli studi di Torino Corso SIS AA 2003-2004   Laboratorio di Fisica Nucleare prof. Maina Specializzanda: Sandra Bramardi sandra.bramardi@libero.it    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 l’importanza dei concetti studiati e analizzarli in maniera approfondita.   lo studio degli isotopi il fenomeno della radioattività naturale    

Prerequisiti richiesti   Ø      Saper leggere a grandi linee la tavola periodica degli elementi Ø      Conoscere la differenza tra atomi e molecole Ø      Conoscere alcuni elementi chimici composti, come l’acqua Ø      Conoscere alcune semplici trasformazioni chimiche Ø      Saper leggere un grafico o costruirne uno in base all’andamento di una determinata funzione Ø      Conoscenze statistiche di base, in particolare sapere calcolare un fit lineare Obiettivi didattici   Ø      Conoscere i componenti del nucleo Ø      Conoscere il significato fisico di N, Z, A Ø      Conoscere il significato fisico di isotopo Ø      Saper valutare la presenza in natura di alcuni isotopi e capire le cause Ø      Studiare particolari problematiche fisiche sfruttando il frazionamento isotopico Ø      Conoscere le leggi fisiche legate alla radioattività naturale Ø      Conoscere le caratteristiche delle particelle alfa e beta Ø      Saper analizzare la catena radioattiva dell’uranio e analizzare in dettaglio alcuni dei decadimenti intermedi, in base a esigenze sperimentali Ø      Capire il fenomeno del decadimento radioattivo legato alla datazione di core di sedimento Ø      Interpretare fisicamente la tavola periodica degli elementi

NUCLEI PARTICELLE COMPOSTE PARTICELLE ELEMENTARI atomo nucleo elettrone nucleoni neutrone protone quark N=A-Z A=N+Z Z ISOTOPI Idrogeno deuterio trizio 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

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: Dipende dalla temperatura Per il CARBONIO si ha: Dipende dalla produttività biologica (biomassa) e dall’insolazione a terra

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

SPETTROMETRO DI MASSA I carbonati cadendo nell’acido generano la seguente reazione chimica:   CaCO3 + H3PO4 = CO2 + H2O + ... Il sistema agisce in condizione di vuoto spinto Il fascio viene deflesso dal campo magnetico Il campione cade nell’acido fosforico iperpuro 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+.

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 d18O e d13C del campione

— 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 d18O nei Globigerinoides ruber Le due onde sono in fase.

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). Formula sperimentale di Spero (1993) tra illuminamento in vitro e d13C: Dd13C = 0.02 x 12 W/m2 = 0.24‰

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 T1/2 = periodo di dimezzamento N N0 N0/2 T1/2

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: Ø      famiglia dell’uranio (U) Ø      famiglia del torio (Th) Ø      famiglia dell’attinio (Ac) L’ultimo componente di ciascuna famiglia è un isotopo stabile dell’elemento piombo (Pb, Z=82). b a 210Pb T1/2 = 22.3 y

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 sedimento b)   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

DATAZIONE DEI CORE rateo di sedimentazione: s = 0.064 cm/y Per profondità superiori a 17-18 cm l’attività risulta praticamente costante e corrisponde all’attività del 210Pb supportata in situ dal 226Ra 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). rateo di sedimentazione: s = 0.064 cm/y con precisione di ~ 5%