Le Tecnologie per la Datazione Roberto Francini

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

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

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

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

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

6. Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010 Le trasformazioni che coinvolgono la struttura elettronica degli atomi (transizioni fra diversi stati energetici) avvengono in tempi molto brevi, dell’ordine 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.

7. La radioattività Becquerel ( ~ 1896)Pierre e Marie Curie, Rutherford Alcuni nuclei con Z elevato ( >80) emettono spontaneamente particelle alfa (un isotopo dell’Elio: 42 He) con due protoni e due neutroni. L’elemento di partenza si trasforma in un altro elemento, spesso a sua volta instabile: Es. 23892 U a + 23490Th Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010 Decadimento alfa:

8. Il decadimento b consiste nell’emissione 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. 23490 Th 23491 Pa + e - + antineutrino Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010 Decadimento beta:

9. Isotopi radioattivi Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010

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

11. Trattazione statistica Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010 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

12. Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010 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

13. Compare esplicitamente il tempo N0 è il valore della quantità al tempo t = 0 Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010 La soluzione di questa Eq. differenziale è:

14. Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010

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

16. Archeometrìa Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010 • 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.

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

18. Sistemi di datazione Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010 • La valutazione dell’età 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 12.000 anni fa fino a più di 5 milioni di anni fa).

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

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

21. Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010 Metodo del radiocarbonio (o metodo del carbonio 14) La datazione al radiocarbonio, è dunque un metodo di datazione che impiega l’isotopo 14C presente in natura (cosmogenesi) I dati grezzi, non “calibrati”, vengono in genere riportati come “anni di radiocarbonio” BP (Before Present = prima di oggi) dove l’oggi è convenzionalmente definito come l’anno 1950. Uno degli impieghi più frequenti di questo metodo, è la stima della età di resti organici provenienti da siti archeologici

22. Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010 La datazione al Carbonio 14 fu sviluppata a partire dall’anno 1949, da Willard Libby (successivamente Nobel per la Chimica, 1960) Quando le piante fissano il CO2 atmosferico nel loro materiale organico durante la fotosintesi, esse incorporano anche una quantità di 14C che è approssimativamente uguale, in percentuale, a quella presente nell’atmosfera. Una volta che la pianta muore o viene consumata da un altro organismo (anche umano) la frazione di isotopo instabile 14C 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.

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

24. Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010 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 1012 • La “riserva di scambio” del carbonio 14 è • costante su tutto il globo (ipotesi di Libby).

25. Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010 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. 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.

26. Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010 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.

27. Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010 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.

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

29. Il Tempo – 24 febbraio 2010 Il Tempo – 24 febbraio 2010 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 l’età del reperto e l’errore associato.

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