datazione con il metodo del 14 c tramite spettrometria di massa con acceleratore benedetta lazzeri

Datazione con il metodo del Datazione con il metodo del 1414C tramite Spettrometria di C tramite Spettrometria di Massa con AcceleratoreMassa con Acceleratore

Benedetta Lazzeri

Sommario:Sommario:Introduzione:Introduzione: Il metodo del 14C

La Spettrometria di Massa con Acceleratore (AMS)

Fasi della misura:Fasi della misura: Preparazione dei campioni

Misura AMS con acceleratore Tandem

Analisi dei datiAnalisi dei datiPassaggio dall’età convenzionale all’età veraPassaggio dall’età convenzionale all’età vera

IlIl Laboratorio di Tecniche Nucleari per Laboratorio di Tecniche Nucleari per i Beni Culturali di Firenzei Beni Culturali di Firenze

Il Il 1414C, o radiocarbonio:C, 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,

14 121.2 10C

14 140

tC C e

t

Ipotesi di base per la datazione e correzioni da Ipotesi di base per la datazione e correzioni da effettuare:effettuare:

Costanza della concentrazione atmosferica di radiocarbonio nel tempo

→ RICALIBRAZIONERICALIBRAZIONE

Presenza in tutti gli organismi viventi di una concentrazione analoga a quella atmosferica

→ FRAZIONAMENTO ISOTOPICOFRAZIONAMENTO ISOTOPICO

Cessazione degli scambi con la CO2 atmosferica dal momento della morte dell’organismo

→ PREPARAZIONE DEI CAMPIONIPREPARAZIONE DEI CAMPIONI

Come si può misurare la concentrazione residua Come si può misurare la concentrazione residua di radiocarbonio in un reperto organico: 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

( ) ( )dN t N tdt

Preparazione dei campioniPreparazione 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

CombustioneCombustioneIl 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

0

10000

20000

30000

40000

0 1 2 3 4 5 6

t (min)

V (

u.a

.)

CO2

N2

H2O

t0 t1

0

10000

20000

30000

40000

0 1 2 3 4 5 6

t (min)

V (

u.a

.)

H2O

t0 t1

CO2

Grafitizzazione (I)Grafitizzazione (I)

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

2

Grafitizzazione (II)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.

0

300

600

900

1200

0 50 100 150

t (min)p

(m

ba

r)

L’acceleratoreL’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 energiaParte 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

E =q 2rE

2 m EB r=q

Acceleratore TandemAcceleratore 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:

E +eV mtinj iE = +q e Vm tfin tot

Parte a alta energiaParte a alta energia

MAGNETE A 115°: 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 datiAnalisi dei dati

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).

Campione 13C/12C σrel(13C/12C)

(%)

14C/13C σrel(14C/12C)

(%)

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

Campione ligneo 1

14Fi0036

0.010522 0.15 9.52 E-13 0.8 92.4 0.4

Campione ligneo 1

14Fi0037

0.010518 0.16 9.63 E-13 1.2 93.6 0.3

214 14 13

14 142, , 14 14 13

C C Ct blank stdC C

t pMC std pMCC C C

std blank t

Eà convenzionale e ricalibrazioneEà convenzionale e ricalibrazioneLe età convenzionali di radiocarbonio, con i rispettivi errori, sono state

ottenute tramite la relazione: 14

1000ln 8033( ) ln14

Ct annirC pMCC

t

8033( ) ( )annit pMCrC pMC

Campione trC (yBP) ΔtrC (yBP)

Campione ligneo 1

14Fi0034

580 30

Campione ligneo 2

14Fi0036

630 30

Campione ligneo 3

14Fi0037

530 30

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