Datazioni
Il metodo del 14C è un grande contributo della
fisica nucleare all’archeologia (e alla storia
dell’arte)
Il principio su cui si basa il metodo è legato al decadimento
radioattivo del 14C
Tipicamente nucleari sono anche le tecniche di misura
della concentrazione residua di 14C, sia quella tradizionale
che sfrutta il conteggio dei decadimenti b dell’isotopo, sia
quella più moderna della spettrometria di massa con
acceleratori (AMS)
Gli isotopi del carbonio
12C
≈ 98.9 %
13C
≈ 1.1 %
L’isotopo 14 è radioattivo
T1/2= 5730 a
0+
0
14C
100%
Qb- =156.5 keV
1+
0
14N
2
produzione del 14C in atmosfera:
protoni cosmici su O, N nella troposfera  reazioni (p,n)
 termalizzazione neutroni  14N(n,p)14C [sth 1 barn]
rate di produzione medio di 14C: 2.2 cm-2 s-1
massimo tra i 15 e i 18 Km
trascurabile a livello della superficie terrestre
La concentrazione di 14C (circa 10-12 del totale di atomi di
carbonio) resta pressoché costante, per effetto di un
equilibrio dinamico
fra continua “produzione” da parte dei raggi cosmici
e continua“scomparsa” per decadimento radioattivo
Tramite i vari metabolismi biologici,
TUTTI GLI ORGANISMI VIVENTI
PARTECIPANO A QUESTO EQUILIBRIO
e hanno perciò nei loro tessuti 14C, con circa la stessa
concentrazione che in atmosfera
FINCHE’ VIVENTI
Principio della datazione col
C-14 concentration
1,2
14C
· 10-12
14R(t)
1
= 14R0 · e –t/t
t = t · ln [14R0 / 14R(t)]
0,8
d t = t ·[d 14R(t) / 14R(t)] cioè :
 1% errore in 14R(t)   80 y
0,6
0,4
0,2
0
0
10000
20000
tempo dalla morte
30000
(anni)
40000
5
Datazioni
14C
– la ricalibrazione
• la concentrazione di partenza in passato non è sempre
stata quella convenzionalmente assunta R0 conv, dalla quale
si deduce un valore altrettanto convenzionale tconv per l’età
(età convenzionale di radiocarbonio):
tconv  t ln
R0 conv
R(t )
• con migliaia di misure effettuate su campioni di età
misurata indipendentemente si è costruita una curva di
ricalibrazione (età convenzionale vs. data vera) fino a quasi
50000 anni fa
Misura della concentrazione di
|dN/dt| = l N
metodo radiometrico
misure delicate e difficili perché
decadimento b puro
necessarie grandi quantità di
campione(10÷100 g) e tempi di
misura lunghi (ore o anche
giorni)
14C
14C
Misura della concentrazione di
da misure di attività b (|dN/dt| = l N)
t = 8266 ± 58 anni l = 1/t = (1.38 ± 0.01)·10-8 h-1
1 mg di reperto organico “contemporaneo”:  0.4 mg di
carbonio  (0.4·10-3 /12) 6·1023 = 2 1019 atomi di C
2.4 107 isotopi di 14C
conteggio b: |dN/dt| = l N  soltanto 0.33 decadimenti/ora!
 occorrono quantità cospicue di materiale,
tempi lunghi di conteggio e tecniche molto
9
delicate ed efficienti
Misura della concentrazione di
14C
|dN/dt| = l N
metodo radiometrico
misure delicate e difficili perché
decadimento b puro
necessarie grandi quantità di
campione(10÷100 g) e tempi di
misura lunghi (ore o anche
giorni)
spettrometria di massa
la spettroscopia di massa
“standard” non è
sufficientemente sensibile per
discriminare le masse 14 dovute
al 14C da quelle degli isobari
interferenti (14N e molecole
12CH e 13CH)
2
10
Accelerator Mass Spectrometry
11
Misura della concentrazione di 14C con AMS
Lo stripping al terminale
elimina le interferenze di
13CH e 12CH
2
Acceleratore Tandem
Analisi in massa
e sistemi di
rivelazione
Sorgente, dove si
mettono i campioni da
analizzare
La sorgente di ioni
negativi elimina
l’interferenza del 14N
L’analisi finale degli ioni ad alta energia
consente di eliminare eventuali interferenze
12
residue
Misura del
14C
con AMS
Sensibilità a concentrazioni fino a 10-15
 sono databili reperti risalenti fino a oltre
50000 anni fa
 massa del campione da “sacrificare” per la
datazione dell’ordine dei mg
13
Misura AMS
della concentrazione di 14C
1 mg di reperto organico “contemporaneo”:  0.4 mg di
carbonio  2.4 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1%):
> 105 conteggi (tempo di misura: 20-30 minuti)
(da confrontarsi con 0.33 decad./ora del conteggio b!!)
con 105 conteggi  (d14C)/14C < 0.3%  dt  25a
 sono sufficienti quantità esigue di materiale
14
Chiesa di S.Francesco a Cortona
Fondata da Padre Elia pochi anni dopo la
morte del Santo. Conserva tre importanti
reliquie francescane:
la tonaca secondo la tradizione
usata per coprire il corpo del Santo
al momento della morte
il cuscino, anch’esso
associato dalla tradizione al
momento della morte di
Francesco
un evangeliario
15
La tonaca di Cortona
Prelevati diversi
frammenti da zone
diverse, sia sul davanti
che sul dietro
Le zone di prelievo sono
state scelte comunque
vicino ai bordi o intorno a
zone danneggiate
Per eliminare
possibili ambiguità
Minima invasività
Quantità prelevate molto
piccole (~1 cm2 di lana)
Effettuati anche due prelievi
dai gusci interni del cuscino
16
La tonaca di S.Croce a Firenze
Per confronto ci è stato chiesto di datare anche la tonaca conservata in
S.Croce a Firenze, anch’essa secondo tradizione appartenuta a S.Francesco
fronte
retro
Un campione è stato prelevato anche dal cordone esposto insieme alla tonaca
17
(campione SFF6)
S.Croce cingolo
S.Croce_5
S.Croce_4
S.Croce_3
S.Croce_2
S.Croce_1
cuscino_2
cuscino_1
Cortona_7
Cortona_6
Cortona_5
Cortona_3
Cortona_1
età convenzionale (anni)
Risultati
1100
1000
900
800
700
600
500
18
Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron]
tonaca Cortona 857±18BP
cuscino 1 915±40BP
cuscino 3 885±30BP
Tonaca S.Croce 666±18BP
cingolo S.Croce 852±34BP
600CalAD
800CalAD
1000CalAD
1200CalAD
1400CalAD
1600CalAD
Calibrated date
19
Curva locale di bomb peak
mg prelevati
mg bruciati
Amiata 43
19.10
3.43
Amiata 54
16.90
3.44
Amiata 55
21.00
3.52
Amiata 57
17.35
3.46
Amiata 61
16.00
3.59
Amiata 62
20.00
3.58
Amiata 64
18.00
3.42
Amiata 67
19.00
3.51
Amiata 72
17.20
3.42
Amiata 77
21.00
3.44
Amiata 87
18.00
3.41
Un albero abbattuto
nella zona del monte
Amiata, Toscana
200.00
190.00
180.00
170.00
pMC
160.00
150.00
140.00
130.00
120.00
110.00
100.00
90.00
1940
1950
1960
1970
year AD
1980
20
1990
2000
test nucleari in atmosfera
(prima del trattato di non proliferazione del 1968)
 enorme aumento dei flussi di neutroni in
atmosfera, e quindi anche del rate di produzione di
14C  influenza sensibile, temporaneamente,
anche sulla concentrazione globale [14C] (fino al
+100 %). Successivamente, il tasso di 14C in
atmosfera è diminuito, a causa della progressiva
“diluizione” nell’enorme serbatoio delle acque
terrestri, riavvicinandosi ai valori pre-esplosioni
nucleari.
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