2. Radioactivitatea
Tipuri de radioactivitate
Legile dezintegrării radioactive
Timpul de înjumătățire și timpul mediu de via ăț
Radiocarbonul. Caracteristici și obținere pentru 14
C
Circuitul carbonului în natură
Rezervele de carbon ale Pământului
Datarea cu izotopi radioactivi. Datarea cu izotopul 14
C
Datarea unui papyrus egiptean
3. RADIOACTIVITATEA
• Radioactivitatea este un fenomen rezultat din
dezintegrarea radioactivă a nucleelor atomilor.
– nucleul unui atom se transformă spontan în altă specie de nucleu
atomic.
• Radioactivitatea proprietatea nucleelor de a emite spontan
radiații.
Radioactivitatea a fost descoperită întâmplător de către
H. Bequerel (1896)
Denumirea de radioactivitate a fost dată de M. Curie
care a reușit să separe primele elemente radioactive:
Po(1898) si apoi Ra(1902).
4. Au făcut istorie în domeniul radioactivității...
Antoine Henri
Becquerel
(1852-1908)
(Premiul Nobel,
1903)
Ernest
Rutherford
(1871-1937)
Marie Curie
(1867-1934)
(Premiul Nobel,
1903)
Pierre Curie
(1859-1906)
(Premiul
Nobel, 1903)
6. Radioactivitatea alfa
Radioactivitatea alfa reprezintă emisia spontană din
nucleu a particulelor alfa ce s-au dovedit a fi nuclee de 4
2He.
În urma unui astfel de proces elementul rezultat este
deplasat în sistemul periodic cu 2 căsuțe la stânga, iar
numărul de masă este mai mic cu 4 unitați:
7. Radioactivitatea beta negativă
Radioactivitatea beta negativă constă în emisia spontană
din nucleu a unui electron și ca urmare sarcina nucleului
crește cu o unitate iar numărul de masă rămâne neschimbat.
Elementul rezultat este deplasat în sistemul periodic cu o
căsu ăț în dreapta elementului radioactiv inițial:
8. Radioactivitate beta (β+) pozitivă care constă în
emisia de pozitroni din nucleu:
Radioactivitate gamma (sau emisie gamma) constă
din emisia din nucleu a unui foton de mare energie:
9. Legile dezintegrării radioactive
N(t)=N0 e-λt
N(t)- reprezintă numărul de nuclee
radioactive rămase nedezintegrate la
momentul t;
N0-numărul inițial de nuclee radioactive
din sursă.
λ - constanta de dezintegrare radioactivă
Λ=Λ0e-λt
Λ – activitatea sursei la momentul t (intensitatea
radiației emise de o sursă radioactiva)
Λ0 – activitatea sursei la momentul t0
Reprezentare grafica a
numărului de nuclee
radioactive în functie de timp
10. Timpul de înjumătățire și timpul
mediu de via ăț
T – timpul de injumătățire (T1/2) este intervalul de timp după
care numărul de nuclee radioactive din sursă se reduce la
jumătate
λ
2ln
2
1 =T
τ - timpul mediu de viață mai poate fi definit ca timpul
după care numărul nucleelor radioactive din sursă scade de
e ori.
( )
e
N
eNN 0
0 == −λτ
τ
ca urmare între T1/2 şi τ există relația T1/2 = τ ln 2, ca
urmare T1/2 < τ
11. Radiocarbonul. Caracteristici și
obținere pentru 14
C
Radiocarbonul, 14
6C, sau carbon radioactiv
este un izotop radioactiv de carbon cu nucleu
atomic ce conţine 6 protoni şi 8 neutroni .
În natură se întâlnesc izotopii carbonului:
12
C → 98,89 % (stabil)
13
C → 1,108 % (stabil)
14
C → izotop radioactiv în cantitate foarte mică
raportul izotopic 14
C / 12
C =1,2.10-12
12. Caracteristici și obținere pentru 14
C
Perioada de înjumătățire :
teoretic 5730 ± 40 ani (Godwin, 1962)
convenții internaționale 5568 ± 30 ani (Libby, 1951)
Valoarea dezintegrării utilizată în laboratoare este de
13,56 ± 0,07 dezintegrări pe minut și pe gram de carbon.
13. Izotopul 14
C se obține astfel:
radiațiile cosmice bombardează Pământul ( conțin și p rapizi, galactici)
sub acțiunea p energetici atomii prezenți în înalta atmosferă explodează
obținându-se și n rapizi
neutronii interacționează cu atomii de azot 14
7N rezultând 14
C
n + 14
N → 14
C + p
14
C astfel format se oxidează rapid formând molecula 14
CO2 care se disipă și redă
radioactivitatea sa gazelor carbonice atmosferice.
Alte căi de obținere a 14
C: CHenO 14
6
3
2
1
0
16
8 +→+
CdnN 14
6
2
1
1
0
15
7 +→+
CppO 14
6
1
1
1
1
16
8 3 +→+
CnC 14
6
0
0
1
0
13
6 +→+ γ
Rata obținerii izotopului 14
C pe suprafața terestră (la altitudinea de 18 km) pe secundă este
0,96 atomi/cm2
s la Ecuator şi 4,99 atomi/cm2
s la Poli
Determinările efectuate pentru un ciclu solar ( de 11ani) de către KORFF si MENDELL
(1965-1975) au condus la valori medii de obținere a izotopului 14
C de 2,25±0,1 atomi/cm2
s.
17. Datarea cu ajutorul izotopilor radioactivi.
Datarea cu izotopul de carbon 14
C
Datarea cu izotopi radioactivi este o metodă folosită pentru datarea
arheologică, geologică conducând la stabilirea vârstei unor roci sau
obiecte masurând radioactivitatea lor.
Metoda de datare cu carbonul radioactiv a fost descoperită de prof.
Willard F. Libby (1947) de la Universitatea din Cicago. Descoperirea
metodei a reprezentat o adevarată revoluție în știin ăț (geologie,
geofizică, hidrologie, științele atmosferei, oceanografie, biochimie,etc).
În 1948, Libby și echipa sa calculează că în aproximativ 5700 ani
jumătate din cantitatea de 14
C se dezintegrează (β).
La început, Libby și echipa sa, au testat metoda pe probe de varstă
cunoscută, din alte surse, cum ar fi lemnul de salcâm din mormântul
faraonului Zoser, din a treia dinastie egipteană (aproximativ 2700- 2600
i. Chr). Rezultatele testelor cu carbon radioactiv au înregistrat o eroare
de 10% fa ăț de vârsta reală.
20. Bioxidul de carbon 14
CO2 se amestecă cu 12
CO2 care vine din alte surse (vulcani, oxidarea
materiei organice, combustia hidrocarburilor, etc).
Prin procesul de fotosinteză plantele asimilează dioxidul de carbon care con ineț 12
C i înș
mică parte 14
C .Astfel materia organică vegetală și animală (care consumă vegetale)
conține o anumită cantitate de 14
C, care este utilizat în metoda datării.
De la inceput, toata materia organică vie (vegetală și animală) conține 12
C ,14
C și de
asemenea o mică cantitate de 13
C.
Proportia 14
C si 12
C din țesuturile organice și schelete, metabolizată de organism, rămâne
de-a lungul vieții în organism în raportul corespunzător celui care se găseste și în
atmosferă. Atâta timp cât sunt în via ăț , toate organismele au aceeași radioactivitate ca
și gazul carbonic atmosferic.
În momentul în care planta moare ,echilibrul se strică , deoarece începe dezintegrarea
radiocarbonului fără ca el să fie înlocuit . Produsul dezintegrării , 14
N, este un gaz care
se eliberează în natură.
În practică, deoarece 12
C este stabil se măsoară raportul izotopic, 14
C / 12
C. Cunoscând acest
raport existent în natură și constantă dezintegrării radioactive, se poate calcula, ca și
în cazul altor metode, timpul scurs de la moartea organismului (folosind eșantioane
din țesuturi sau schelet).
21. Comparând deci, radioactivitatea unui eșantion dintr-un organism animal sau
vegetal mort, cu radioactivitatea carbonului atmosferic se deduce vârsta
eșantionului, definită ca timpul scurs după moartea sa. Prin urmare vârsta
obținută prin metoda carbonului 14
C este cea de la moartea organismului
(pădure/lemn,scoici,țesături din bumbac,in,lână, etc.)
Presupunând că intensitatea radiațiilor cosmice rămâne constantă în timp, raportul
concentrațiilor celor doi izotopi ai carbonului 14
C/12
C din aer rămâne constant în
timp și egal cu η0 = 1,2.
10-12
. Această concentrație face ca un gram de carbon
proaspăt preparat să dea aproximativ 15 dezintegrări pe minut. Vegeta iaț
asimilează CO2 în propor iaț η0, ca urmare i în structura animalelor se vor găsiș
cei doi izotopi ai carbonului în propor iaț η0 .După moarte, asimilarea încetează
iar 14
C continuă să se dezintegreze conform relației:
NC 14
7
14
6 →
−
β
cu perioada de înjumătățire T=5730 ani
22. Raportului concentrațiilor celor doi izotopi se micșorează după o
lege corespunzătoare legii de dezintegrare a 14
C:
( )anitt
T
ee 5730
692,0
0
2ln
0
−−
== ηηη
η0 -este raportul concentrațiilor în momentul morții
η- este raportul concentrațiilor după timpul t de la momentul morții
Pentru determinarea lui η se masoara concentratia de 12
C prin analiza chimica iar
concentratia de 14
C se determina masurand cu un contor radiatiile β emise de esantion
intr-un anumit interval de timp si se raporteaza rezultatul la unitatea de timp.
Aceasta metodă permite datarea obiectelor care nu depaşesc vârsta de 35000
ani,după care, datorită timpului de înjumătățire, cantitatea de izotopi 14
C scade şi nu
mai este detectabil cu eficiență. După aproximativ 10“vieți”(10 perioade de
înjumătățire)cantitatea de carbon radioactiv este redusă la valori nesemnificative.Cu
alte cuvinte în aproximativ 50 000 ani se ating limitele metodei.
23. Surse de erori ale metodei de datare cu 14
C
neomogenitatea repartiției izotopului 14
C în diferite
rezervoare
variația în trecut a concentrației carbonului
atmosferic
modificări recente ale mediului (ere industriale și
nucleare)
contaminarea eșantionului de datat
incertitudinea statistică a măsurătorilor
24. Datarea unui papirus egiptean
S-a utilizat un contor Geiger –Muller pentru înregistrarea radiațiilor β
emise de eșantion:
n1=5 semnale pe minut pentru eșantionul vechi
n2= 8 semnale pe minut pentru unul fabricat astăzi
T
2ln
=λ , T= 5730 ani, prin convenție T= 5568 ani, pentru 14
C,
λ=1,29.10-4
ani-1
Activitatea naturală a 14
C este 13,56±0,007 dezintegrări pe minut gram de C
Vârsta papirusului egiptean este:
2
1
ln
1
n
n
t
λ
= 3800
8
5
ln
692,0
5730
==t,
(înainte de prezent, data de referință fiind 1950.)
ani (BP),
