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

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

2. Sommario: • Introduzione: 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

3. IlLaboratorio di Tecniche Nucleari per i Beni Culturali di Firenze

4. 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,

5. 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

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

7. 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 Preparazione dei campioni

8. 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

9. 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

10. 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.

11. 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

12. 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

13. 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:

14. Parte 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).

15. Analisi 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).

16. Eà convenzionale e ricalibrazione Le età convenzionali di radiocarbonio, con i rispettivi errori, sono state ottenute tramite la relazione: 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