Le Tecnologie per la Datazione
Roberto Francini
Il Tempo – 24 febbraio 2010
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
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
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Metodi di datazione assoluta:
permettono di stabilire, seppure con un certo grado
di approssimazione, l’età effettiva
di un determinato reperto.
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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 ?
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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.
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La radioattività
Becquerel ( ~ 1896)
Pierre e Marie Curie, Rutherford
Decadimento alfa:
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.
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238
92
U
a +
234
90Th
Decadimento beta:
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.
234
90
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Th
234
91
Pa + e - + antineutrino
Isotopi radioattivi
ELEMENTO
NUCLIDE
TEMPO DIMEZZAMENTO
TIPO DI
DECADIMENTO
Calcio
45 Ca
20
164 giorni
beta
Carbonio
14 C
6
5730 anni
beta
Cesio
137
55
30 anni
beta, gamma
Fosforo
32
15
14.3 giorni
beta
Idrogeno
3
1
12.26 anni
beta
Iodio
131
I
8.07 giorni
beta
Potassio
40
19
K
1.3 x 10 9 anni
beta, gamma
Radio
226
88
Ra
1590 anni
alfa
Radon
222
86
Rn
3.82 giorni
alfa, gamma
Sodio
24
11
Na
15 ore
beta
Stronzio
90
38
Sr
28.1 anni
beta
Tecnezio
99
43
Tc
6.02 ore
gamma
Torio
230
90
Th
8 x 10 4 anni
alfa, gamma
Uranio
238
92
U
4.51 x 10 9 anni
alfa
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Cs
P
H (trizio)
53
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.
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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
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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:
dN
N
dt
Dove:
N = la quantità in esame
l = costante di decadimento, o di disintegrazione
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La soluzione di questa Eq. differenziale è:
N t N 0 e
t
N0 è il valore della quantità
al tempo t = 0
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Compare
esplicitamente
il tempo
N t t
e
N0
1.0
0.8
= 0.001
N / N0
0.6
= 0.02
0.4
= 0.05
0.2
= 0.1
0.0
0
20
40
60
Tempo (unità arbitrarie)
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80
100
Dalla espressione del decadimento, si possono ricavare
due tempi caratteristici:
1 -Tempo di vita medio, o vita media:
t medio
1
2 – Tempo di dimezzamento:
t1/ 2 ln 2
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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.
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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.
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Sistemi di datazione
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).
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
1
n N C p
14
7
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14
6
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).
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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.
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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- & SHemisphere graphs.
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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.
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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.
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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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Discipline che ricorrono alla tecnica del carbonio 14:
-Archeologia
-Geofisica
-Geochimica
-Studi ambientali
-Cambiamenti globali
-Glaciologia
-Idrologia
-Oceanografia
-Geologia
-……..
Grazie per l’attenzione.
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