Fisica nucleare e beni culturali

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Michele Zani
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1 Fisica nucleare e beni culturali Acceleratori di particelle al servizio degli storici e degli archeologi P.A. Mandò UniFi &INFN Estratto (I parte) del Pisa, Colloquium, 29/05/2012

4 La facility del Tandetron al LABEC IBA dual source 3 MV Tandetron external beam (Environment) external micro-beam multi-sample AMS source high-energy AMS spectrometer external beam (Cultural Heritage) chopped beam line multipurpose IBA vacuum chamber multi-angle scattering chamber

5 Datazioni Il metodo del 14 C 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 14 C Tipicamente nucleari sono anche le tecniche di misura della concentrazione residua di 14 C, sia quella tradizionale che sfrutta il conteggio dei decadimenti β dell isotopo, sia quella più moderna della spettrometria di massa con acceleratori (AMS)

6 Gli isotopi del carbonio 12 C 98.9 % 13 C 1.1 % L isotopo 14 è radioattivo T 1/2 = 5730 a C 0 100% Q β - =156.5 kev N 6

7 produzione del 14 C in atmosfera: protoni cosmici su O, N nella troposfera à reazioni (p,n) à termalizzazione neutroni à 14 N(n,p) 14 C [σ th 1 barn] rate di produzione medio di 14 C: 2.2 cm -2 s -1 massimo tra i 15 e i 18 Km trascurabile a livello della superficie terrestre La concentrazione di 14 C (circa 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

8 Tramite i vari metabolismi biologici, TUTTI GLI ORGANISMI VIVENTI PARTECIPANO A QUESTO EQUILIBRIO e hanno perciò nei loro tessuti 14 C, con circa la stessa concentrazione che in atmosfera FINCHE VIVENTI

9 Principio della datazione col 14 C C-14 concentration 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, R(t) = 14 R 0 e t/τ t = τ ln [ 14 R 0 / 14 R(t)] δ t = τ [δ 14 R(t) / 14 R(t)] cioè : ± 1% errore in 14 R(t)! ± 80 y tempo dalla morte (anni)

10 Datazioni 14 C la ricalibrazione la concentrazione di partenza in passato non è sempre stata quella convenzionalmente assunta R 0 conv, dalla quale si deduce un valore altrettanto convenzionale t conv per l età (età convenzionale di radiocarbonio): t conv = τ ln R 0 R( t) conv 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 anni fa

12 Ricalibrazione dalla radiocarbon age all età vera Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] 12000BP Radiocarbon determination 10000BP 8000BP 6000BP 4000BP 2000BP 0BP 8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBC/CalAD2000CalAD 12 Calibrated date

13 Ricalibrazione dalla radiocarbon age all età vera ultimi 2000 anni 2000BP Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] Radiocarbon determination 1500BP 1000BP 500BP 0BP CalBC/CalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD 13 Calibrated date

14 Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] Radiocarbon determination 4300BP 4200BP 4100BP 4000BP 3900BP 4000±20BP 68.2% probability 2565BC (48.4%) 2520BC 2500BC (19.8%) 2475BC 95.4% probability 2580BC (95.4%) 2470BC t conv = τ ln R 0 R( t) conv 3800BP 3000CalBC 2800CalBC 2600CalBC 2400CalBC 2200CalBC Calibrated date Esempi di ricalibrazione da t conv alla data vera Radiocarbon determination 4100BP 4000BP 3900BP 3800BP 3700BP Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] 3890±20BP 68.2% probability 2460BC (68.2%) 2340BC 95.4% probability 2470BC (95.4%) 2290BC 2600CalBC 2400CalBC 2200CalBC 2000CalBC Calibrated date

15 Altro esempio (un caso fortunato ) Radiocarbon determination 4500BP 4400BP 4300BP 4200BP 4100BP Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] 4270±20BP 68.2% probability 2905BC (68.2%) 2885BC 95.4% probability 2910BC (95.4%) 2875BC 3100CalBC3000CalBC2900CalBC2800CalBC2700CalBC2600CalBC Calibrated date

16 Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] la Stradivarius gap Radiocarbon determination 600BP 400BP 200BP 0BP 150±50BP 68.2% probability 1660AD (11.3%) 1700AD 1720AD (23.1%) 1780AD 1790AD ( 6.6%) 1820AD 1830AD (15.5%) 1880AD 1910AD (11.6%) 1950AD 95.4% probability 1660AD (95.4%) 1960AD -200BP 1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD Calibrated date Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] Radiocarbon determination 300BP 200BP 100BP 0BP -100BP 150±20BP 68.2% probability 1670AD (10.6%) 1700AD 1720AD (32.3%) 1780AD 1790AD ( 9.2%) 1820AD 1910AD (16.1%) 1940AD 95.4% probability 1660AD (15.7%) 1700AD 1720AD (48.0%) 1820AD 1830AD (13.3%) 1880AD 1910AD (18.4%) 1950AD -200BP CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD Calibrated date

17 Misura della concentrazione di 14 C dn/dt = λ N metodo radiometrico misure delicate e difficili perché decadimento β puro necessarie grandi quantità di campione( g) e tempi di misura lunghi (ore o anche giorni)

18 Misura della concentrazione di 14 C da misure di attività β ( dn/dt = λ N) τ = 8266 ± 58 anni àλ = 1/τ = (1.38 ± 0.01) 10-8 h -1 1 mg di reperto organico contemporaneo : 0.4 mg di carbonio ( /12) = atomi di C à isotopi di 14 C conteggio β: dn/dt = λ N soltanto 0.33 decadimenti/ora! à occorrono quantità cospicue di materiale, tempi lunghi di conteggio e tecniche molto delicate ed efficienti 18

19 Misura della concentrazione di 14 C dn/dt = λ N metodo radiometrico misure delicate e difficili perché decadimento β puro necessarie grandi quantità di campione( 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 14 C da quelle degli isobari interferenti ( 14 N e molecole 12 CH 2 e 13 CH) 19

20 Accelerator Mass Spectrometry 20

21 Misura della concentrazione di 14 C con AMS Lo stripping al terminale elimina le interferenze di 13 CH e 12 CH 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 14 N L analisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze 21 residue

22 Misura del 14 C con AMS Sensibilità a concentrazioni fino a sono databili reperti risalenti fino a oltre anni fa massa del campione da sacrificare per la datazione dell ordine dei mg 22

23 Misura AMS della concentrazione di 14 C 1 mg di reperto organico contemporaneo : 0.4 mg di carbonio isotopi di 14 C AMS (efficienza 1%): > 10 5 conteggi (tempo di misura: minuti) (da confrontarsi con 0.33 decad./ora del conteggio β!!) con 10 5 conteggi à (δ 14 C)/ 14 C < 0.3% δt 25a à sono sufficienti quantità esigue di materiale 23

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26 26 Il campione trattato viene bruciato (CO 2 ) e poi ridotto a grafite (CO H 2! 2 H 2 O + C)

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30 test nucleari in atmosfera (prima del trattato di non proliferazione del 1968) à enorme aumento dei flussi di neutroni in atmosfera, e quindi anche del rate di produzione di 14 C à influenza sensibile, temporaneamente, anche sulla concentrazione globale [ 14 C] (fino al +100 %). Successivamente, il tasso di 14 C in atmosfera è diminuito, a causa della progressiva diluizione nell enorme serbatoio delle acque terrestri, riavvicinandosi ai valori pre-esplosioni nucleari. 30

31 Effetto esplosioni nucleari pmc (percent pmc of Modern Carbon) curva di riferimento per l emisfero boreale year AD 31

32 Curva locale di bomb peak mg prelevati mg bruciati Amiata Un Amiata albero 54 abbattuto Amiata nella Amiata zona del monte Amiata, 62 Toscana Amiata Amiata Amiata Amiata Amiata pmc year AD

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