Il carbonio è l'elemento più comune sulla Terra. Crea numerosi legami, principalmente con idrogeno e ossigeno. Esistono tre isotopi noti del carbonio: 12 C, 13 C e 14 C. Quest'ultimo, a causa delle sue proprietà radioattive, è colloquialmente chiamato radiocarbonio. La sua applicazione più importante è determinare l'età delle formazioni geologiche e degli oggetti archeologici. Inoltre, il radiocarbonio viene utilizzato per studiare i cambiamenti ambientali.
Radioattività dell’isotopo di carbonio 14 C
Gli isotopi sono un insieme di atomi dello stesso elemento che hanno lo stesso numero atomico e diverso numero di massa. La stragrande maggioranza degli elementi presenti in natura ha più di un isotopo. Le loro proprietà possono essere molto diverse. Anche le percentuali dei singoli isotopi variano in modo significativo. Il carbonio elementare ha tre isotopi: 14 C, 13 C e 12 C. Il più comune è 12 C – oltre il 98%. In natura è possibile trovare molto meno 13 C. D’altra parte, l’isotopo radioattivo del carbonio – 14 C è presente sulla Terra in quantità minima. La sua fonte sono le reazioni nucleari dei neutroni termici (di origine cosmica) con i nuclei di azoto. Si svolgono nella stratosfera. L’isotopo di carbonio 14 C decade spontaneamente. Il decadimento beta produce azoto non radioattivo 14 N , un elettrone e un antineutrino. Nel tempo, il contenuto di isotopi radioattivi 14 C nel materiale diminuisce. Anche l’intensità della radiazione che produce diminuisce. Il tempo dopo il quale il contenuto di carbonio radioattivo si dimezza è definito tempo di dimezzamento (caratteristica degli elementi radioattivi). Per l’isotopo 14 C del carbonio sono 5730 anni. Così, dopo questo tempo, da una porzione di 14 C radioattivo ne rimane la metà.
Datazione al radiocarbonio
Gran parte dell’isotopo di carbonio 14 C, che si accumula nell’atmosfera, viene ossidato per formare 14 CO. Quando questa forma reagisce con il radicale ossidrile (OH), viene ulteriormente ossidato a 14 CO 2 . L’anidride carbonica, 14 CO 2 , a sua volta, viene rilasciata dall’atmosfera nella biosfera e nell’idrosfera (come risultato, ad esempio, di diffusione, dissoluzione, fotosintesi). Il radiocarbonio 14 C è un componente di molti composti organici. Si assimilano nelle piante o si dissolvono nell’acqua dell’oceano. La concentrazione dell’isotopo 14 C nell’atmosfera è parecchie volte superiore rispetto, ad esempio, alle profondità dell’oceano. Pertanto, diventa un tracciante isotopico naturale. Con il suo aiuto, è possibile tenere traccia dei cambiamenti che si verificano nell’ambiente naturale. Una delle applicazioni più importanti dell’isotopo 14 C è la cosiddetta datazione al radiocarbonio. L’anidride carbonica contenente 14 C radioattivo penetra in tutti gli esseri viventi: piante e animali. Gli organismi partecipano al ciclo di scambio del radiocarbonio con la biosfera. Quindi il contenuto dell’isotopo 14 C è costante. Questo cambia quando l’organismo muore. Quando un organismo muore, non assorbe più carbonio 14 C, quindi la sua quantità diminuisce costantemente. Il decadimento di questo isotopo avviene ad una velocità determinata dalla legge del suo decadimento (il decadimento di 14 atomi di C nel tempo assume la forma di una funzione esponenziale). L’ipotesi citata divenne la base per determinare l’età dei reperti archeologici, che si chiama datazione al radiocarbonio (o metodo del carbonio radioattivo). Il confronto del rapporto tra il contenuto di 14 C e 12 C nella materia organica morta e nell’atmosfera consente di determinare l’età del radiocarbonio (il tempo dalla morte dell’organismo al momento della misurazione). L’età del radiocarbonio convenzionale viene determinata confrontando il contenuto di entrambi gli isotopi di carbonio nel campione di prova e nel moderno standard della biosfera.
Tecnica AMS per misurare la concentrazione di radiocarbonio, 14 C
La misurazione del contenuto di carbonio radioattivo 14 C nel materiale è complicata e richiede attrezzature specializzate, il che rende l’intero processo costoso. La tecnica dell’acceleratore, AMS, sfrutta il fatto che 14 C è leggermente più pesante rispetto a 12 C (circa 1,17 volte). Viene effettuata anche una misurazione parallela del contenuto di 13 C. Gli spettrometri di massa con acceleratore sono utilizzati nella tecnica AMS. I vari componenti di questo apparato, come la sorgente di ioni, l’acceleratore, il magnete di analisi o l’analizzatore elettrostatico sono disposti lungo i lati di un quadrato di 5 x 5 m. Sono interamente una camera ad alto vuoto uniforme di una lunghezza di circa 15 metri. Il dispositivo può essere suddiviso in una parte a bassa energia e una parte ad alta energia. Per determinare il rapporto dei singoli isotopi di carbonio, lo spettrometro AMS misura gli atomi di 14 C, 13 C i 12 C che vengono rilasciati dal catodo (costituito dal materiale di prova). Gli ioni di carbonio (prodotti nella sorgente ionica) sono diretti all’acceleratore. Lì vengono accelerati e colpiscono il magnete di analisi. Si trovano quindi nella camera di deriva, che consente la misurazione della corrente elettrica di entrambi i tipi di ioni. Infine, gli ioni dell’isotopo del carbonio radioattivo 14 C, dopo essere passati attraverso l’analizzatore elettrostatico, raggiungono il rivelatore che ne consente il conteggio. Lo spettrometro AMS è un dispositivo estremamente avanzato. Tutte le parti dell’apparato ei parametri operativi correnti sono controllati da uno speciale software per PC e possono essere controllati da una console.
