DATAÇÃO POR CARBONO-14

1. Mesosaurus brasiliensis, cerca de250mil anos. DATAÇÃO POR CARBONO-14 PROFESSOR RODRIGO PENNA

2. Professor Rodrigo Penna Sítio na internet: www.fisicanovestibular.com.br Blog: www.quantizado.blogspot.com Link para currículo no Sistema Lattes: http://lattes.cnpq.br/6150368513460565 EMAILs professorrodrigopenna@yahoo.com.br penna@nuclear.ufmg.br

3. INTRODUÇÃO • A maior parte dos elementos químicos constantes na tabela periódica possui isótopos: mesmo número atômico Z e número de massa A diferente. • O Carbono é chamado por muitos cientistas o “elemento da vida”. Não se conhece ser vivo sem a presença de Carbono. • Ele também possui isótopos: , e . • O último, Carbono-14, é radioativo. Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

4. OS CARBONOS Professor Rodrigo Penna

5. ORIGEM DO CARBONO-14 • O Carbono-14 é um radionuclídeo cosmogênico. • A radiação cósmica, formada essencialmente por partículas de alta energia (centenas de MeV até GeVs) e raios , incide sobre a Terra e reações nucleares formam o Carbono-14 continuamente. • Hidrogênio-3 (Trítio ou Trício) também é formado. • Assim, o carbono radioativo, formado na alta atmosfera, acaba entrando no ciclo da vida. Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

6. A REAÇÃO NUCLEAR • A maior parte (quase 80%) dos gases atmosféricos são na verdade Nitrogênio: . • O bombardeio de nêutronscósmicos dá origem à reação: 14N(n,p)14C - • Após sua formação, o Carbono-14 é oxidado (reage com Oxigênio, também presente na própria atmosfera) formando o famoso “Gás Carbônico” 14CO2. E então o 14C “cai” no ciclo global do carbono. Professor Rodrigo Penna

7. A ATMOSFERA Professor Rodrigo Penna

8. CONSTITUIÇÃO DO AR Observe que a proporção de Gás Carbônico em relação ao volume total no ar é pequena. Mas, não deixa de ser relevante, os 0,03% , com relação à outras substâncias, visto que se destaca em relação aos constitiuintes que sequer aparecem, estatisticamente, misturados aos 0,01% restantes. Professor Rodrigo Penna

9. A PRODUÇÃO DO 14C • A taxa de produção de Carbono-14 por incidência de radiação cósmica é de aproximadamente 2 átomos por segundo para cada cm2 de superfície da Terra (Levin). • Parece muito, pois a superfície da Terra é de fato grande para os padrões humanos. Porém, um átomo é de tamanho ínfimo: da ordem de 10-10 m! Em um cm3 (1ml) cabem da ordem de 1013 átomos “colados”: 10.000.000.000.000!!!!!!! DEZENAS DE TRILHÕES DE ÁTOMOS EM 1 cm3! Professor Rodrigo Penna

10. CICLO DO CARBONO-14 Diagrama indicando a formação natural do 14C na alta atmosfera, sua incorporação nos seres vivos (vegetais e animais) e o decaimento radioativo após a morte dos mesmos. Professor Rodrigo Penna

11. DECAIMENTO DO 14C • Como todo radioisótopo, o 14C também decai. Seu decaimento é do tipo - e a transmutação resulta novamente no 14N. Equação: • A meia-vida T1/2 do Carbono-14 é de 5.730anos, mas, por convenção, utiliza-se até hoje o valor determinado na década de 50, 5.568anos, que apresenta um erro de cerca de 3%. Professor Rodrigo Penna

12. 5.730 ANOS 2 X 5.730 = 11.460 ANOS AO AO / 2 AO / 4 3 X 5.730 = 17.190 ANOS 4 X 5.730 = 22.920 ANOS AO / 16 ... AO / 8 ESQUEMA DE DECAIMENTO O princípio básico da datação por Carbono-14 é o decaimento deste radioisótopo. Este decaimento é regido pela já conhecida equação: A = AO . e -  . t Porém, existem mais detalhes e sofisticações que trataremos a seguir. Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

13. W.F.Libby HISTÓRICO • O método de datação por 14C foi inventado por Willard F. Libby (1908-1980) em 1949. Recebeu o Nobel de Química em 1960. • Tornou-se a principal ferramenta de determinação cronológica de episódios ocorridos a até 40-50.000 anos passados. • É utilizado em Arqueologia, Geologia, Paleobotânica, Paleoclimatologia, etc. • Foi colocado em prática 1 ano após a sua invenção, ou seja, em 1.950 . Professor Rodrigo Penna

14. O CARBONO NA VIDA • As plantas absorvem CO2 na FOTOSSÍNTESE. • Como 14CO2 é produzido pela radiação cósmica na atmosfera, o 14C é incorporado pelas plantas, numa pequena fração em relação aos átomos de 12C. • Gás carbônico se dissolve nos oceanos e está disponível também ao plâncton. • Animais se alimentam de plantas, incorporando também o 14C (junto com o 12C!) . • Assim, todos os seres, durante a vida, se reabastecem continuamente de 14C, que DECAI, e tende a acabar! Professor Rodrigo Penna

15. 14C DECAI! Tende a ACABAR! 14C (atmosfera) Animais Plantas SE ABASTECEM DE14C REPRESENTAÇÃO • A distribuição isotópica do Carbono é a seguinte: aproximadamente 98,89% de todo o carbono na natureza é 12C e 1,11% é 13C. Observe que a proporção de 14C é mínima, depois da segunda casa decimal! Mas, o reabastecimento constante faz com que os seres vivos tendam a manter a mesmaproporção de 14C presente no meio ambiente. Reabastecimento contínuo durante a vida! Professor Rodrigo Penna

16. O EQUILÍBRIO • O constante reabastecimento 14C de faz com que a proporção entre 14C/12C seja aproximadamente a mesma do ambiente (atmosfera). Isto é o Equilíbrio. • Como conhecemos a meia-vida T1/2 do 14C e o número de átomos de Carbono em 1g, pode-se calcular o número de decaimentos por grama: chega-se a algo em torno de 15 decaimentos por minuto por grama de Carbono em organismos VIVOS. Professor Rodrigo Penna

17. DESEQUILÍBRIO E DATAÇÃO • Após a morte do ser vivo, o equilíbriose desfaz! • Plantas deixam de fazer Fotossíntese e animais de se alimentar. Não incorporam mais 14C. • Assim, a proporção de14C num organismo morto tende a diminuir em relação ao ambiente, já que o carbono radioativo decai. • Tendo a meia-vida conhecida, é possível calcular então a presumível idade em que ocorreu a morte, e consequentemente ter um parâmetro temporal confiável sobre o evento (datar!). Professor Rodrigo Penna

18. NOVAMENTE O IMPORTANTECICLO DO CARBONO-14 Todo o esquema descrito anteriormente representado na forma de ciclo. Professor Rodrigo Penna

19. Planta viva, na antigüidade, trocando 14Ccom o ambiente através da Fotossíntese. Datação do fóssil pela atividade do 14C: T1/2 = 5.730 anos. EXEMPLO: FÓSSIL DE MADEIRA Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

20. DETALHAMENTO - 1 • Infelizmente, não se pode simplesmente pegar uma amostra e medir a sua atividade radioativa. • Vários radionuclídeos estão incorporados aos organismos vivos, não só o Carbono-14. • Medir a atividade somente acarretaria em erro! • Por exemplo, no caso de um fóssil humano, entre 60 e 70% da dose total interna de radiação é proveniente do Potássio-40 e ele custa a acabar: meia-vida de 1.251 bilhões de anos! Professor Rodrigo Penna

21. DETALHAMENTO - 2 • Assim, ao encontrar uma amostra, em primeiro lugar é preciso processar e separar O CARBONO. • São utilizados processos Físicos e Químicos além do nosso interesse específico. • A atividade radioativa da amostra de CARBONO, apenas CARBONO, é então medida. • Posteriormente, é comparada com a conhecida taxa de equilíbrio para só então poder se calcular a idade estabelecendo a datação. • Fica claro que uma limitação do método do14C é o fato de que ele só se aplica a amostras que contenham CARBONO (basicamente para datar seres vivos, mas que já morreram, claro!) Professor Rodrigo Penna

22. ERROS NO PROCESSO • Ainda assim, a datação por Carbono-14 é um processo susceptível a vários erros, que em análises rigorosas precisam ser levados em conta, a saber: • Erros no preparo e processamento da amostra; • Mudanças na concentração de 14C na atmosfera em períodos passados, devido à mudanças no campo magnético da Terra e na atividade solar; • Aumento na concentração de 14C na atmosfera após 1.950 devido a testes nucleares... PARA MINIMIZAR O ERRO, USA-SE MAIS DE UMA AMOSTRA OU OUTRO MÉTODO DE DATAÇÃO PARA COMPARAR. Professor Rodrigo Penna

23. EFEITO “FALLOUT” • É também conhecido como poeira radioativa. • Devido aos testes nucleares dos anos 50 e 60, principalmente. • Ocasionou a formação de vários radionuclídeos, inclusive o 14C. • Calcula-se que dos 2.1030 átomos de 14C existentes antes foram acrescentados 6.1028 devido aos testes. • No entanto, o acréscimo na atividade do 14C atmosférico tem contribuído para os estudos ambientais e climatológicos recentes. Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

24. Os Testes das Sete Potências Nucleares (até Junho/1998) Professor Rodrigo Penna

25. OUTROS MÉTODOS DE DATAÇÃO • Termoluminescência. Exemplo: cerâmica. Até 1milhão de anos com 10% de precisão. Vantagem: mais barato. Brasil: USP e UFS. • Luminescência opticamente estimulada. Não é necessário aquecer a amostra. Assim, pode ser usado em ossadas. Brasil: Faculdade de Tecnologia de São Paulo. • Ressonância paramagnética nuclear. Menos sensível que a termoluminescência, mas permite datar com 10% de precisão de 1.000 a 1milhão de anos. • Polêmica interessante: pesquisadores da USP e do Piauí dataram por ressonância pinturas rupestres neste estado encontrando 35.000 anos (em 2002). Estrangeiros dataram por Carbono-14 encontrando 3.800 anos. As teorias atuais indicam que o continente Americano foi ocupado a partir de 12.000 anos atrás. • Aminoácidos. Serve para seres vivos. Utiliza peculiaridades da Química: isomeria óptica. • Novos métodos estão constantemente sendo desenvolvidos. Professor Rodrigo Penna

26. Parent Half-life(billion yrs.) Daughter Materials Dated Zircon, uraninite, pitchblende Muscovite, biotite, hornblende, volcanic rock, glauconite, K-feldspar Zircon, uraninite, pitchblende K-micas, K-feldspars, biotite, metamorphic rock, glauconite DATAÇÃO DE ROCHAS Radionúclideos que possibilitam estudos de processos geológicos. Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

27. Exemplo da análise de um espectômetro. SOFISTICAÇÕES NA TÉCNICA DO CARBONO-14 • Com o uso de aceleradores (inclusive Cyclotrons ou outros modelos) e espectômetros de massa é possível a análise de amostras de menos de 1mg e atingir a sensibilidade de 10-15 na taxa 14C/12C, que no equilíbrio é de . Isto para se remover o Nitrogênio-14 e o CH2,que têm praticamente a mesma massa do 14C. Professor Rodrigo Penna

28. USO DO ESPECTÔMETRO Medida da proporção isotópica do Kriptônio através de um espectrômetro de massa. Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

29. O santuário de Stonehenge, em Wiltshire, Inglaterra, foi construído entre 3500 e 1500 a.C. Pirâmide de Sakkara, 1ª a 3ª Dinastia, 3.100 a 2.575 A.C. Gruta de Lascaux, pinturas de até 17.000 anos. DATAÇÕES REALIZADAS Professor Rodrigo Penna

30. SERRA DA CAPIVARA - PI Importante sítio arqueológico brasileiro, com polêmicas de datações de dezenas de milhares de anos atrás, contradizendo teorias atualmente aceitas. Professor Rodrigo Penna

31. Região Norte – AM e PA Serra da Lua (PA) e urna funerária encontrada em Manaus (AM). Estudos indicam sítios de até 9.000 anos atrás. Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

32. BRINCANDO DE CALCULAR • Exemplo de aplicação matemática. Um pedaço de madeira carbonizada encontrada em uma escavação em ruínas na região central dos Estados Unidos apresentou uma atividade de 0,510×10-3 microcuries. A amostra de carbono pesava 525 gramas após separação e processamento. Qual é aproximadamente a idade da civilização existente na época em que foi cortada a árvore que deu origem à amostra? 1- Carvão é Carbono. Facilita a datação. 2- A atividade de equilíbrio é conhecida: 15,3 decaimentos/minuto/g de carbono. SOLUÇÃO 3- É necessário calcular a chamada Atividade Específica (ASp) da amostra. 3b- Multiplica-se por 3,7.1010 (Bq), por 60 para dar 1 minuto e divide-se pela massa da amostra. Professor Rodrigo Penna

33. CONTINUAMOS CALCULANDO 4- Já conhecemos a Equação de Decaimento: A = AO . e -  . t 4a- Calculamos a constante  do14C: = ln 2 / T1/2 = 0,693 / 5568 4c- Substituimos os valores na equação para então podermos fazer as contas. Agora, podemos resolver para o tempo. 5-FÓRMULA DO TEMPO Professor Rodrigo Penna

34. FINALMENTES... 6-OPERANDO A CALCULADORA ÷ 7-DIGITA: 2 ln 5568 = F↔E 1,24.10-4 Anota! 8-OPERANDO A CALCULADORA NOVAMENTE ÷ = 9-DIGITA: 15,3 2,16 1,24 EXP +/- 4 ÷ ln = 15.788 anos! Ufa! A civilização é de cerca de 16.000 anos! Professor Rodrigo Penna

35. BIBLIOGRAFIA • Radioproteção e Dosimetria – Fundamentos, Luiz Tauhata, Ivan P.A. Salati, Renato di Prinzio e Antonieta di Prinzio, IRD – CNEN, disponível no site http://www.ird.gov.br/ em 08/08/04. • Laboratório de 14C. Técnicas e Aplicações em Estudos Paleoambientais. Universidade de São Paulo – USP, disponível no site http://www.cena.usp.br/em 03/01/05. • Clube Araruamense de Astronomia, site http://www.caastro.hpg.ig.com.br/em 03/01/05. • HyperPhysics, Georgia State University, site http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hph.htmlem 04/01/05. • ComCiência, Revista Eletrônica de Jornalismo Científico, vinculada à SBPC – Sociedade Brasileira para o Progresso da Ciência, que também edita a revista Ciência Hoje. Atualizada em 10/09/03. Recomendo a leitura periódica, pois trás artigos muito interessantes. Site http://www.comciencia.br/ em 04/01/05. • Radiações ionizantes para médicos, físicos e leigos, Antônio Renato Biral, Ed. Insular – pág. 166. • NAEQ: Núcleo de Apoio ao Ensino da Química, Departamento de Física e Química, Universidade de Caxias do Sul, site http://www.ucs.br/ em 05/01/05. • Aplicações Industriais das Radiações Ionizantes, Curso de Extensão em Radiologia Industrial, Gamagrafia e Medidores Nucleares para Técnicos, UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL, ESCOLA DE ENGENHARIA, DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NUCLEAR. Professor Rodrigo Penna