Datazione con il metodo del
14C tramite Spettrometria di
Massa con Acceleratore
Benedetta Lazzeri
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
Il Laboratorio di Tecniche Nucleari per
i Beni Culturali di Firenze
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
14 
 C


1.21012
 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
14 
 C

t

 14C  e 

0
t
 considerando [14C]0 = 1.2·10-12 e τ =8033 anni (vita media di Libby) →
t = età convenzionale di radiocarbonio,
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
Come si può misurare la concentrazione residua
di radiocarbonio in un reperto organico:
dN (t )   N (t )
dt
 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
Preparazione 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
Combustione
40000
Il campione viene bruciato
e i prodotti gassosi che ne
derivano sono separati nel
tempo per gascromatografia
CO2
V (u.a.)
30000
20000
N2
10000
H2O
0
0
1
2
3
4
5
6
t (min)
t0
CO2
40000
30000
V (u.a.)
Per raccogliere la CO2 prodotta,
all’istante t0 viene aperta la valvola
di accesso alla linea di grafitizzazione
e viene richiusa all’istante t1
t1
20000
10000
H2O
0
0
1
2
3
t (min)
t0
t1
4
5
6
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
Grafitizzazione (II)
1200
900
p (mbar)
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.
600
300
0
0
50
100
t (min)
150
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
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:
E = rE
q 2
Seleziona ioni con una energia Einj = e · ΔV = 35 keV
 MAGNETE INIETTORE:
Br = 2mE
q
Permette di iniettare nell’acceleratore masse diverse secondo sequenze
temporali fissate → INIEZIONE SEQUENZIALE
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:








E +eV m
t i
E = injm
+q eV
t
fin
tot
Parte a alta energia
 MAGNETE A 115°:
è impostato in modo da selezionare ioni
14C3+ con energia E = 10,035 MeV; i
fin
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 dati
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
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).
2
 14 
  13 

14 
C 
  C  C
 

t 
blank   
 std 
14 
14 

  C

 C 
2
 std , pMC
t , pMC 
 14 
  13  
14 
 C
C 
  C
 
 std 
blank   
t 

Eà convenzionale e ricalibrazione
Le età convenzionali di radiocarbonio, con i rispettivi errori, sono state
ottenute tramite la relazione:
t
rC
14 
 C
0
  ln 
14 
 C

t
Campione
 8033(anni)  ln 100
pMC
trC (yBP)
t
 8033(anni)  ( pMC )
rC
pMC
ΔtrC (yBP)
Campione ligneo 1 580
14Fi0034
30
Campione ligneo 2 630
14Fi0036
30
Campione ligneo 3 530
14Fi0037
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