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DATAÇÃO POR CARBONO-14 PROFESSOR RODRIGO PENNA Mesosaurus brasiliensis, cerca de 250mil anos.

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1 DATAÇÃO POR CARBONO-14 PROFESSOR RODRIGO PENNA Mesosaurus brasiliensis, cerca de 250mil anos.

2 Professor Rodrigo Penna Sítio na internet: Blog: Link para currículo no Sistema Lattes: s

3 3 INTRODUÇÃO A maior parte dos elementos químicos constantes na tabela periódica possui isótopos: mesmo número atômico Z e número de massa A diferente. O Carbono é chamado por muitos cientistas o elemento da vida. Não se conhece ser vivo sem a presença de Carbono. Ele também possui isótopos:, e. O último, Carbono-14, é radioativo. Professor Rodrigo Penna

4 4 Professor Rodrigo Penna OS CARBONOS

5 5 ORIGEM DO CARBONO-14 O Carbono-14 é um radionuclídeo cosmogênico. A radiação cósmica, formada essencialmente por partículas de alta energia (centenas de MeV até GeVs) e raios, incide sobre a Terra e reações nucleares formam o Carbono-14 continuamente. Hidrogênio-3 (Trítio ou Trício) também é formado. Assim, o carbono radioativo, formado na alta atmosfera, acaba entrando no ciclo da vida. Professor Rodrigo Penna

6 6 Professor Rodrigo Penna A REAÇÃO NUCLEAR A maior parte (quase 80%) dos gases atmosféricos são na verdade Nitrogênio:. O bombardeio de nêutrons cósmicos dá origem à reação: 14 N(n,p) 14 C - Após sua formação, o Carbono-14 é oxidado (reage com Oxigênio, também presente na própria atmosfera) formando o famoso Gás Carbônico 14 CO 2. E então o 14 C cai no ciclo global do carbono.

7 7 Professor Rodrigo Penna A ATMOSFERA

8 8 Professor Rodrigo Penna CONSTITUIÇÃO DO AR Observe que a proporção de Gás Carbônico em relação ao volume total no ar é pequena. Mas, não deixa de ser relevante, os 0,03%, com relação à outras substâncias, visto que se destaca em relação aos constitiuintes que sequer aparecem, estatisticamente, misturados aos 0,01% restantes.

9 9 Professor Rodrigo Penna A PRODUÇÃO DO 14 C A taxa de produção de Carbono-14 por incidência de radiação cósmica é de aproximadamente 2 átomos por segundo para cada cm 2 de superfície da Terra (Levin). Parece muito, pois a superfície da Terra é de fato grande para os padrões humanos. Porém, um átomo é de tamanho ínfimo: da ordem de m! Em um cm 3 (1ml) cabem da ordem de átomos colados: !!!!!!! DEZENAS DE TRILHÕES DE ÁTOMOS EM 1 cm 3 !

10 10 Professor Rodrigo Penna CICLO DO CARBONO-14 Diagrama indicando a formação natural do 14 C na alta atmosfera, sua incorporação nos seres vivos (vegetais e animais) e o decaimento radioativo após a morte dos mesmos.

11 11 Professor Rodrigo Penna DECAIMENTO DO 14 C Como todo radioisótopo, o 14 C também decai. Seu decaimento é do tipo - e a transmutação resulta novamente no 14 N. Equação: A meia-vida T 1/2 do Carbono-14 é de anos, mas, por convenção, utiliza-se até hoje o valor determinado na década de 50, anos, que apresenta um erro de cerca de 3%.

12 12 O princípio básico da datação por Carbono-14 é o decaimento deste radioisótopo. Este decaimento é regido pela já conhecida equação: A = A O. e -. t Porém, existem mais detalhes e sofisticações que trataremos a seguir. ESQUEMA DE DECAIMENTO AOAO ANOS A O / 2 2 X = ANOS A O / 4 A O / 8 3 X = ANOS 4 X = ANOS A O / Professor Rodrigo Penna

13 13 Professor Rodrigo Penna HISTÓRICO O método de datação por 14 C foi inventado por Willard F. Libby ( ) em Recebeu o Nobel de Química em Tornou-se a principal ferramenta de determinação cronológica de episódios ocorridos a até anos passados. É utilizado em Arqueologia, Geologia, Paleobotânica, Paleoclimatologia, etc. Foi colocado em prática 1 ano após a sua invenção, ou seja, em W.F.Libby

14 14 Professor Rodrigo Penna O CARBONO NA VIDA As plantas absorvem CO 2 na FOTOSSÍNTESE. Como 14 CO 2 é produzido pela radiação cósmica na atmosfera, o 14 C é incorporado pelas plantas, numa pequena fração em relação aos átomos de 12 C. Gás carbônico se dissolve nos oceanos e está disponível também ao plâncton. Animais se alimentam de plantas, incorporando também o 14 C (junto com o 12 C!). Assim, todos os seres, durante a vida, se reabastecem continuamente de 14 C, que DECAI, e tende a acabar!

15 15 Professor Rodrigo Penna REPRESENTAÇÃO A distribuição isotópica do Carbono é a seguinte: aproximadamente 98,89% de todo o carbono na natureza é 12 C e 1,11% é 13 C. Observe que a proporção de 14 C é mínima, depois da segunda casa decimal! Mas, o reabastecimento constante faz com que os seres vivos tendam a manter a mesma proporção de 14 C presente no meio ambiente. 14 C (atmosfera) Plantas Animais SE ABASTECEM DE 14 C 14 C DECAI! Tende a ACABAR! Reabastecimento contínuo durante a vida!

16 16 Professor Rodrigo Penna O EQUILÍBRIO O constante reabastecimento 14 C de faz com que a proporção entre 14 C/ 12 C seja aproximadamente a mesma do ambiente (atmosfera). Isto é o Equilíbrio. Como conhecemos a meia-vida T 1/2 do 14 C e o número de átomos de Carbono em 1g, pode-se calcular o número de decaimentos por grama: chega-se a algo em torno de 15 decaimentos por minuto por grama de Carbono em organismos VIVOS.

17 17 Professor Rodrigo Penna DESEQUILÍBRIO E DATAÇÃO Após a morte do ser vivo, o equilíbrio se desfaz! Plantas deixam de fazer Fotossíntese e animais de se alimentar. Não incorporam mais 14 C. Assim, a proporção de 14 C num organismo morto tende a diminuir em relação ao ambiente, já que o carbono radioativo decai. Tendo a meia-vida conhecida, é possível calcular então a presumível idade em que ocorreu a morte, e consequentemente ter um parâmetro temporal confiável sobre o evento (datar!).

18 18 Professor Rodrigo Penna NOVAMENTE O IMPORTANTE CICLO DO CARBONO-14 Todo o esquema descrito anteriormente representado na forma de ciclo.

19 19 EXEMPLO: FÓSSIL DE MADEIRA Planta viva, na antigüidade, trocando 14 C com o ambiente através da Fotossíntese. Datação do fóssil pela atividade do 14 C: T 1/2 = anos. Professor Rodrigo Penna

20 20 Professor Rodrigo Penna DETALHAMENTO - 1 Infelizmente, não se pode simplesmente pegar uma amostra e medir a sua atividade radioativa. Vários radionuclídeos estão incorporados aos organismos vivos, não só o Carbono-14. Medir a atividade somente acarretaria em erro! Por exemplo, no caso de um fóssil humano, entre 60 e 70% da dose total interna de radiação é proveniente do Potássio-40 e ele custa a acabar: meia-vida de bilhões de anos!

21 21 Professor Rodrigo Penna DETALHAMENTO - 2 Assim, ao encontrar uma amostra, em primeiro lugar é preciso processar e separar O CARBONO. São utilizados processos Físicos e Químicos além do nosso interesse específico. A atividade radioativa da amostra de CARBONO, apenas CARBONO, é então medida. Posteriormente, é comparada com a conhecida taxa de equilíbrio para só então poder se calcular a idade estabelecendo a datação. Fica claro que uma limitação do método do 14 C é o fato de que ele só se aplica a amostras que contenham CARBONO (basicamente para datar seres vivos, mas que já morreram, claro!)

22 22 Professor Rodrigo Penna ERROS NO PROCESSO Ainda assim, a datação por Carbono-14 é um processo susceptível a vários erros, que em análises rigorosas precisam ser levados em conta, a saber: Erros no preparo e processamento da amostra; Mudanças na concentração de 14 C na atmosfera em períodos passados, devido à mudanças no campo magnético da Terra e na atividade solar; Aumento na concentração de 14 C na atmosfera após devido a testes nucleares... PARA MINIMIZAR O ERRO, USA-SE MAIS DE UMA AMOSTRA OU OUTRO MÉTODO DE DATAÇÃO PARA COMPARAR.

23 23 EFEITO FALLOUT É também conhecido como poeira radioativa. Devido aos testes nucleares dos anos 50 e 60, principalmente. Ocasionou a formação de vários radionuclídeos, inclusive o 14 C. Calcula-se que dos átomos de 14 C existentes antes foram acrescentados devido aos testes. No entanto, o acréscimo na atividade do 14 C atmosférico tem contribuído para os estudos ambientais e climatológicos recentes. Professor Rodrigo Penna

24 24 Professor Rodrigo Penna Os Testes das Sete Potências Nucleares (até Junho/1998) PaísArsenal Testes realizados Primeiro TesteÚltimo Teste EUA (215 na atmosfera, 815 subterrâneos) Alamogordo, Novo México , Nevada Rússia (207 na atmosfera, 508 subterrâneos) , em lugar não revelado , Novaya Zemlya França (50 na atmosfera, 160 subterrâneos) , Argélia , Atol de Mururoa Inglaterra (21 na atmosfera, 24 subterrâneos) , Austrália , Nevada, EUA China (23 na atmosfera, 20 subterrâneos) , Lop Nor , Lop Nor Índia 65 6 (todos subterrâneos) , Pokhran, Rajasthan 5 testes entre 11 e , Pokhran Paquistão 20 5 (todos subterrâneos) , Montes Chagai

25 25 Professor Rodrigo Penna OUTROS MÉTODOS DE DATAÇÃO Termoluminescência. Exemplo: cerâmica. Até 1milhão de anos com 10% de precisão. Vantagem: mais barato. Brasil: USP e UFS. Luminescência opticamente estimulada. Não é necessário aquecer a amostra. Assim, pode ser usado em ossadas. Brasil: Faculdade de Tecnologia de São Paulo. Ressonância paramagnética nuclear. Menos sensível que a termoluminescência, mas permite datar com 10% de precisão de a 1milhão de anos. Polêmica interessante: pesquisadores da USP e do Piauí dataram por ressonância pinturas rupestres neste estado encontrando anos (em 2002). Estrangeiros dataram por Carbono-14 encontrando anos. As teorias atuais indicam que o continente Americano foi ocupado a partir de anos atrás. Aminoácidos. Serve para seres vivos. Utiliza peculiaridades da Química: isomeria óptica. Novos métodos estão constantemente sendo desenvolvidos.

26 26 DATAÇÃO DE ROCHAS Radionúclideos que possibilitam estudos de processos geológicos. K-micas, K-feldspars, biotite, metamorphic rock, glauconite Zircon, uraninite, pitchblende Muscovite, biotite, hornblende, volcanic rock, glauconite, K-feldspar Zircon, uraninite, pitchblende Materials DatedDaughter Half-life (billion yrs.) Parent Professor Rodrigo Penna

27 27 Professor Rodrigo Penna SOFISTICAÇÕES NA TÉCNICA DO CARBONO-14 Com o uso de aceleradores (inclusive Cyclotrons ou outros modelos) e espectômetros de massa é possível a análise de amostras de menos de 1mg e atingir a sensibilidade de na taxa 14 C/ 12 C, que no equilíbrio é de. Isto para se remover o Nitrogênio-14 e o CH 2,que têm praticamente a mesma massa do 14 C. Exemplo da análise de um espectômetro.

28 28 USO DO ESPECTÔMETRO 78 Kr0.356% 80 Kr2.27% 82 Kr11.6% 83 Kr11.5% 84 Kr57.0% 86 Kr17.3% Medida da proporção isotópica do Kriptônio através de um espectrômetro de massa. Professor Rodrigo Penna

29 29 Professor Rodrigo Penna DATAÇÕES REALIZADAS O santuário de Stonehenge, em Wiltshire, Inglaterra, foi construído entre 3500 e 1500 a.C. Pirâmide de Sakkara, 1ª a 3ª Dinastia, a A.C. Gruta de Lascaux, pinturas de até anos.

30 30 Professor Rodrigo Penna SERRA DA CAPIVARA - PI Importante sítio arqueológico brasileiro, com polêmicas de datações de dezenas de milhares de anos atrás, contradizendo teorias atualmente aceitas.

31 31 Região Norte – AM e PA Serra da Lua (PA) e urna funerária encontrada em Manaus (AM). Estudos indicam sítios de até anos atrás. Professor Rodrigo Penna

32 32 Professor Rodrigo Penna BRINCANDO DE CALCULAR Exemplo de aplicação matemática. Um pedaço de madeira carbonizada encontrada em uma escavação em ruínas na região central dos Estados Unidos apresentou uma atividade de 0,510×10 -3 microcuries. A amostra de carbono pesava 525 gramas após separação e processamento. Qual é aproximadamente a idade da civilização existente na época em que foi cortada a árvore que deu origem à amostra? 1- Carvão é Carbono. Facilita a datação. SOLUÇÃO 2- A atividade de equilíbrio é conhecida: 15,3 decaimentos/minuto/g de carbono. 3- É necessário calcular a chamada Atividade Específica (A Sp ) da amostra. 3b- Multiplica-se por 3, (Bq), por 60 para dar 1 minuto e divide-se pela massa da amostra.

33 33 Professor Rodrigo Penna CONTINUAMOS CALCULANDO 4- Já conhecemos a Equação de Decaimento: A = A O. e -. t 4a- Calculamos a constante do 14 C: = ln 2 / T 1/2 = 0,693 / FÓRMULA DO TEMPO 4c- Substituimos os valores na equação para então podermos fazer as contas. Agora, podemos resolver para o tempo.

34 34 Professor Rodrigo Penna FINALMENTES OPERANDO A CALCULADORA 7- DIGITA:2ln ÷ 5568 = FEFE1, Anota! 8- OPERANDO A CALCULADORA NOVAMENTE 9- DIGITA:15,3 ÷ 2,16 = ln ÷ 1,24 = EXP+/ anos! Ufa! A civilização é de cerca de anos!

35 35 Professor Rodrigo Penna BIBLIOGRAFIA 1.Radioproteção e Dosimetria – Fundamentos, Luiz Tauhata, Ivan P.A. Salati, Renato di Prinzio e Antonieta di Prinzio, IRD – CNEN, disponível no site em 08/08/ Laboratório de 14 C. Técnicas e Aplicações em Estudos Paleoambientais. Universidade de São Paulo – USP, disponível no site em 03/01/05.http://www.cena.usp.br/ 3.Clube Araruamense de Astronomia, site em 03/01/05.http://www.caastro.hpg.ig.com.br/ 4.HyperPhysics, Georgia State University, site astr.gsu.edu/hbase/hph.html em 04/01/05.http://hyperphysics.phy- astr.gsu.edu/hbase/hph.html 5.ComCiência, Revista Eletrônica de Jornalismo Científico, vinculada à SBPC – Sociedade Brasileira para o Progresso da Ciência, que também edita a revista Ciência Hoje. Atualizada em 10/09/03. Recomendo a leitura periódica, pois trás artigos muito interessantes. Site em 04/01/05.http://www.comciencia.br/ 6.Radiações ionizantes para médicos, físicos e leigos, Antônio Renato Biral, Ed. Insular – pág NAEQ: Núcleo de Apoio ao Ensino da Química, Departamento de Física e Química, Universidade de Caxias do Sul, site em 05/01/05.http://www.ucs.br/ 8.Aplicações Industriais das Radiações Ionizantes, Curso de Extensão em Radiologia Industrial, Gamagrafia e Medidores Nucleares para Técnicos, UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL, ESCOLA DE ENGENHARIA, DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NUCLEAR.


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