Università degli studi di TorinoCorso SIS AA 2003-2004
Laboratorio di Fisica Nucleare
prof. Maina
Specializzanda: Sandra [email protected]
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%
