Università degli studi di TorinoCorso SIS AA 2003-2004

 Laboratorio di Fisica Nucleare

prof. Maina 

Specializzanda: Sandra Bramardisandra.bramardi@libero.it

  

 Studio di isotopi nella variazione climatica Studio di isotopi nella variazione climatica e datazione di core di sedimento e datazione di core di sedimento

   

La scelta didattica che intendo seguire consente di trattare due temi inerenti la fisica nucleare analizzando in dettaglio una applicazione pratica attraverso la quale i ragazzi possono toccare con mano l’importanza dei concetti studiati e analizzarli in maniera approfondita.

 •lo studio degli isotopi

•il fenomeno della radioattività naturale    

Prerequisiti richiesti        Saper leggere a grandi linee la tavola periodica degli elementi      Conoscere la differenza tra atomi e molecole      Conoscere alcuni elementi chimici composti, come l’acqua      Conoscere alcune semplici trasformazioni chimiche      Saper leggere un grafico o costruirne uno in base all’andamento di una determinata funzione      Conoscenze statistiche di base, in particolare sapere calcolare un fit lineare

Obiettivi didattici        Conoscere i componenti del nucleo      Conoscere il significato fisico di N, Z, A      Conoscere il significato fisico di isotopo      Saper valutare la presenza in natura di alcuni isotopi e capire le cause       Studiare particolari problematiche fisiche sfruttando il frazionamento isotopico      Conoscere le leggi fisiche legate alla radioattività naturale      Conoscere le caratteristiche delle particelle alfa e beta       Saper analizzare la catena radioattiva dell’uranio e analizzare in dettaglio alcuni dei decadimenti intermedi, in base a esigenze sperimentali      Capire il fenomeno del decadimento radioattivo legato alla datazione di core di sedimento       Interpretare fisicamente la tavola periodica degli elementi  

PARTICELLE COMPOSTE

PARTICELLE ELEMENTARI

atomo

nucleo

elettrone

nucleoni

neutrone

protone

quark

N=A-Z

Z

A=N+Z

Idrogeno deuterio trizio

ISOTOPI

NUCLEI

due nuclei aventi lo stesso valore di Z e diversi valori di A, cioè costituiti dello stesso numero di protoni ma da un numero diverso di

neutroni

FRAZIONAMENTO ISOTOPICO

E’ il rapporto tra due isotopi di un elemento, di cui uno è il più abbondante in natura.

Per l’OSSIGENO si ha:

31618

1618161818 10*

/

//

SMOW

SMOWsample

OO

OOOOO

Dipende dalla temperatura

Per il CARBONIO si ha:

31213

1213121313 10*

/

//

PDB

PDBsample

CC

CCCCC

Dipende dalla produttività biologica (biomassa) e dall’insolazione a terra

SPETTROMETRO DI MASSA

I campioni opportunamente controllati e trattati vengono inseriti nello spettrometro di massa per la misura del frazionamento isotopico.

MISURA CON LO SPETTROMETRO DI MASSA:

• trasformazione del CaCO3 in fase gassosa (CO2)

• purificazione del gas

• separazione isotopica del gas

CORREZIONE RISPETTO AGLI STANDARD DEI VALORI OTTENUTI

I carbonati cadendo nell’acido generano la seguente reazione chimica: CaCO3 + H3PO4 = CO2 + H2O + ...

SPETTROMETRO DI MASSA

Il campione cade nell’acido fosforico iperpuro

Il sistema agisce in condizione di vuoto spinto

Il trattamento termico a -90°C congela l’acqua

I due gas sono connessi alla ion source tramite sottili capillari e l’uguale pressione permette di avere identici bersagli all’interno dello ion source.

Nella ion source la CO2 pura viene ionizzata a CO2+.

Il fascio viene deflesso dal campo magnetico

SPETTROMETRO DI MASSA

• il fascio viene deflesso e separato nelle componenti isotopiche principali:

44(12C16O16O)

45(13C16O16O)

46(12C16O18O)

• il rapporto 46/44 e 45/44, riferiti allo standard, forniscono il valore di O e C del campione

-1.00E-01

-5.00E-02

0.00E+00

5.00E-02

1.00E-01

1.50E-01

1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

year (AD)

-5.00E-02

-4.00E-02

-3.00E-02

-2.00E-02

-1.00E-02

0.00E+00

1.00E-02

2.00E-02

3.00E-02

4.00E-02

5.00E-02

18O

Tatm

— onda di 200 anni ricostruita dalle anomalie di temperatura globale (Mann, Bradley e Hughes, 1998)

— onda ricostruita (componenti 1,2) dei 200 anni della serie di 18O nei Globigerinoides ruber

Le due onde sono in fase.

Confronto tra i valori di δ13C del core GT90-3 e il numero annuo di giorni con pioggia > di 2 mm sulla piattaforma di Gallipoli (dati storici dalla stazione meteorologica di Lecce).

C = 0.02 x 12 W/m2 = 0.24‰

Formula sperimentale di Spero (1993) tra illuminamento in vitro e C:

RADIOATTIVITÀ NATURALE

La radioattività consiste nel fatto che i nuclei di alcuni elementi con Z>80 emettono, a un certo istante, un corpuscolo, trasformandosi spontaneamente nel nucleo di un altro elemento.

• particelle alfa, cioè nuclei di atomi di elio

• particelle beta, cioè elettroni

epn 11

10

42

22286

22688 RnRa

N

N0

N0/2

T1/2

T1/2 = periodo di dimezzamento

Gli elementi radioattivi che si osservano in natura (come il radio, il radon, ecc.) fanno parte di tre famiglie radioattive, che sono indicate con i nomi dei loro capostipiti:

      famiglia dell’uranio (U)      famiglia del torio (Th)      famiglia dell’attinio (Ac)

L’ultimo componente di ciascuna famiglia è un isotopo stabile dell’elemento piombo (Pb, Z=82).

210Pb T1/2 = 22.3 y

DATAZIONE DEI CORE

I sedimenti marini sono datati attraverso il

METODO RADIOMETRICO:

•metodo del 210Pb e del 137Cs

consente la datazione su 200 anni circa trovando il rateo di sedimentazione.

La presenza del 210Pb nei sedimenti di recente estrazione ha due sorgenti principali:a)    fall out dall’atmosfera: il 210Pb prodotto dal decadimento del 222Rn emanato in atmosfera si deposita nel sedimentob)   decadimento in situ del 226Ra

l’attività è valutata con la misura del b di alta energia del figlio 210Bi (T1/2 = 5.013 d) in equilibrio secolare, con

rivelatore b a basso fondo

Misura dell’attività del 210Pb nel core GT 14 in funzione della profondità del sedimento. Le linee tratteggiate e continue indicano l’attività totale e quella in eccesso; la linea tratto-punto è il fit dell’attività in eccesso. Nell’angolo inferiore sinistro viene riportata l’attività del 137Cs (Bonino el al., 1993).

Per profondità superiori a 17-18 cm l’attività risulta praticamente costante e corrisponde all’attività del 210Pb supportata in situ dal 226Ra

rateo di sedimentazione: s = 0.064 cm/y

DATAZIONE DEI CORE

con precisione di ~ 5%