Datazione con il metodo del 14C tramite Spettrometria di Massa con Acceleratore Benedetta Lazzeri

Sommario: Introduzione: Fasi della misura: Analisi dei dati Il metodo del 14C La Spettrometria di Massa con Acceleratore (AMS) Fasi della misura: Preparazione dei campioni Misura AMS con acceleratore Tandem Analisi dei dati Passaggio dall’età convenzionale all’età vera

Il Laboratorio di Tecniche Nucleari per i Beni Culturali di Firenze

Il 14C, o radiocarbonio: È l’isotopo radioattivo del carbonio e decade β- a 14N (τ ~ 8300 anni) La sua formazione avviene nell’alta atmosfera 14N(n,p)14C Equilibrio tra il ritmo di produzione e il decadimento radioattivo → concentrazione pressochè costante in atmosfera Sotto forma di CO2 viene assimilato da tutti gli organismi finchè viventi → equilibrio tra atmosfera e biosfera Dal momento della morte dell’organismo cessa l’equilibrio perchè non si hanno più scambi → decadimento radioattivo considerando [14C]0 = 1.2·10-12 e τ =8033 anni (vita media di Libby) → t = età convenzionale di radiocarbonio,

Ipotesi di base per la datazione e correzioni da effettuare: Costanza della concentrazione atmosferica di radiocarbonio nel tempo → RICALIBRAZIONE Presenza in tutti gli organismi viventi di una concentrazione analoga a quella atmosferica → FRAZIONAMENTO ISOTOPICO Cessazione degli scambi con la CO2 atmosferica dal momento della morte dell’organismo → PREPARAZIONE DEI CAMPIONI

SPETTROMETRIA DI MASSA CON ACCELERATORE (AMS) Come si può misurare la concentrazione residua di radiocarbonio in un reperto organico: Conteggio dei prodotti di decadimento (elettroni), ma... - bassa concentrazione di partenza - costante di decadimento λ (= 1/τ) piccola → Quantità cospicue di materiale e/o tempi di misura lunghi per poter avere precisione di ~ 1% Identificazione e conteggio diretto degli atomi di 14C presenti → Spettrometria di massa, ma... - Presenza di isobari interferenti (14N, 12CH2, 13CH) ↓ SPETTROMETRIA DI MASSA CON ACCELERATORE (AMS) Permette l’eliminazione degli isobari ed il raggiungimento di una precisione anche di una parte su 1015

Preparazione dei campioni Ha lo scopo di: Rimuovere eventuale carbonio spurio presente, estraendo dal campione la parte più adatta per la datazione Ridurre il campione in grafite → PRETRATTAMENTO FISICO E CHIMICO (PROCEDURA A-B-A) → COMBUSTIONE E GRAFITIZZAZIONE

Combustione Il campione viene bruciato e i prodotti gassosi che ne derivano sono separati nel tempo per gascromatografia Per raccogliere la CO2 prodotta, all’istante t0 viene aperta la valvola di accesso alla linea di grafitizzazione e viene richiusa all’istante t1

La CO2 raccolta viene convertita in grafite tramite la reazione: Grafitizzazione (I) 2 La CO2 raccolta viene convertita in grafite tramite la reazione: CO2 + 2H2 → C + 2H2O effettuata ad alte temperature (~ 600°C) e in presenza di ferro come catalizzatore

Grafitizzazione (II) Durante la grafitizzazione, la pressione viene continuamente monitorata; essa segue un andamento decrescente a causa della progressiva rimozione di componenti gassose, raggiungendo un valore costante a reazione ultimata.

L’acceleratore Eliminazione di 14N alla sorgente Eliminazione degli isobari molecolari (12CH2 e 13CH) al terminale La linea di misura AMS è costituita da: - parte a bassa energia - acceleratore Tandem - parte a alta energia

Parte a bassa energia SORGENTE DI IONI CS-SPUTTER: Permette l’estrazione, da parte di una d.d.p. ΔV = 35 kV, di ioni C-; non essendo stabili gli ioni N-, viene eliminata l’interferenza dovuta all’azoto. ANALIZZATORE ELETTROSTATICO: Seleziona ioni con una energia Einj = e · ΔV = 35 keV MAGNETE INIETTORE: Permette di iniettare nell’acceleratore masse diverse secondo sequenze temporali fissate → INIEZIONE SEQUENZIALE

Acceleratore Tandem Gli ioni sono accelerati verso il terminale, a una tensione Vt ~ 2,5 MV, mentre le estremità sono a massa. Interazione con argon → STRIPPING → passaggio a stato di carica positivo (3+ ~ 50%). Il processo di stripping porta alla distruzione degli interferenti 12CH2 e 13CH a seguito della perdita degli elettroni di legame. Gli ioni positivi, accelerati verso l’uscita, avranno un’energia data da:

Parte a alta energia MAGNETE A 115°: ANALIZZATORE ELETTROSTATICO: è impostato in modo da selezionare ioni 14C3+ con energia Efin = 10,035 MeV; i 12C3+ e 13C3+ seguiranno traiettorie diverse finendo dentro due Faraday Cup. ANALIZZATORE ELETTROSTATICO: permette di eliminare il contributo di ioni che hanno fatto stripping fuori dal terminale selezionando il rapporto E/q = 10,035 MeV/3. RIVELATORE: a ionizzazione (isobutano).

Analisi dei dati Campione 13C/12C σrel(13C/12C) (%) 14C/13C pMC σ(pMC) Standard 14Fi0020 0.010592 0.06 1.4 E-12 0.95 EA blank 14Fi0021 0.010451 0.11 2.3 E-15 30 Campione ligneo 1 14Fi0034 0.010516 0.10 9.56 E-13 0.9 93.0 0.3 14Fi0036 0.010522 0.15 9.52 E-13 0.8 92.4 0.4 14Fi0037 0.010518 0.16 9.63 E-13 1.2 93.6 La concentrazione di atomi di 14C viene espressa in pMC (percent of Modern Carbon); quindi i rapporti isotopici misurati per i campioni incogniti sono normalizzati rispetto ad uno standard (134.06 pMC).

Eà convenzionale e ricalibrazione Le età convenzionali di radiocarbonio, con i rispettivi errori, sono state ottenute tramite la relazione: Campione trC (yBP) ΔtrC (yBP) Campione ligneo 1 14Fi0034 580 30 Campione ligneo 2 14Fi0036 630 Campione ligneo 3 14Fi0037 530 Queste devono, però, essere ricalibrate per ottenere l’età vera dei campioni, a causa dei cambiamenti subiti dalla concentrazione di 14C in atmosfera nel corso del tempo