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

DATAÇÃO POR CARBONO-14

PROFESSOR RODRIGO PENNAMesosaurus brasiliensis, cerca de 250mil anos.

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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.

C126 C13

6 C146

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4Professor Rodrigo Penna

OS CARBONOS

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 www.fisicanovestibular.com.br


A REAÇÃO NUCLEAR►A maior parte (quase 80%) dos gases

atmosféricos são na verdade Nitrogênio: .►O bombardeio de nêutrons cósmicos dá

origem à reação:

14N(n,p)14C - ►Após sua formação, o Carbono-14 é oxidado

(reage com Oxigênio, também presente na própria atmosfera) formando o famoso “Gás Carbônico” 14CO2. E então o 14C “cai” no ciclo global do carbono.

N147

HCnN 11

146

10

147


A ATMOSFERA


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% , comrelação à outras substâncias, visto que se destaca em relação aos constitiuintes que sequer aparecem, estatisticamente,misturados aos 0,01% restantes.


A PRODUÇÃO DO 14C►A taxa de produção de Carbono-14 por

incidência de radiação cósmica é de aproximadamente 2 átomos por segundo para cada cm2 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 10-10 m! Em um cm3 (1ml) cabem da ordem de 1013 átomos “colados”: 10.000.000.000.000!!!!!!! DEZENAS DE TRILHÕES DE ÁTOMOS EM 1 cm3!


CICLO DO CARBONO-14

Diagrama indicando a formação natural do 14C na alta atmosfera, sua incorporação nos seres vivos (vegetais e animais) e o decaimento radioativo após a morte dos mesmos.


DECAIMENTO DO 14C►Como todo radioisótopo, o 14C também decai.

Seu decaimento é do tipo - e a transmutação resulta novamente no 14N. Equação:

►A meia-vida T1/2 do Carbono-14 é de 5.730 anos, mas, por convenção, utiliza-se até hoje o valor determinado na década de 50, 5.568 anos, que apresenta um erro de cerca de 3%.

_

147

146

eNC

12

O princípio básico da datação por Carbono-14 é o decaimento deste radioisótopo. Este decaimento é regido pela

já conhecida equação:

A = AO . e - . t

Porém, existem mais detalhes e sofisticações que trataremos a seguir.

ESQUEMA DE DECAIMENTO

AO5.730 ANOS AO / 2

2 X 5.730 = 11.460 ANOS AO / 4

AO / 83 X 5.730 = 17.190 ANOS 4 X 5.730 = 22.920 ANOS AO / 16 ...



HISTÓRICO►O método de datação por 14C foi inventado por

Willard F. Libby (1908-1980) em 1949. Recebeu o Nobel de Química em 1960.

►Tornou-se a principal ferramenta de determinação cronológica de episódios ocorridos a até 40-50.000 anos passados.

►É utilizado em Arqueologia, Geologia, Paleobotânica, Paleoclimatologia, etc.

►Foi colocado em prática 1 ano após a sua invenção, ou seja, em 1.950 .

W.F.Libby


O CARBONO NA VIDA►As plantas absorvem CO2 na FOTOSSÍNTESE.

►Como 14CO2 é produzido pela radiação cósmica na atmosfera, o 14C é incorporado pelas plantas, numa pequena fração em relação aos átomos de 12C.

►Gás carbônico se dissolve nos oceanos e está disponível também ao plâncton.

►Animais se alimentam de plantas, incorporando também o 14C (junto com o 12C!) .

►Assim, todos os seres, durante a vida, se reabastecem continuamente de 14C, que DECAI, e tende a acabar!


REPRESENTAÇÃO

►A distribuição isotópica do Carbono é a seguinte: aproximadamente 98,89% de todo o carbono na natureza é 12C e 1,11% é 13C. Observe que a proporção de 14C é mínima, depois da segunda casa decimal! Mas, o reabastecimento constante faz com que os seres vivos tendam a manter a mesma proporção de 14C presente no meio ambiente.

14C(atmosfera)

Plantas Animais

SE ABASTECEM DE 14C

14C DECAI!Tende a

ACABAR!

Reabastecimento contínuo durante a vida!


O EQUILÍBRIO►O constante reabastecimento 14C de faz com

que a proporção entre 14C/12C seja aproximadamente a mesma do ambiente (atmosfera). Isto é o Equilíbrio.

►Como conhecemos a meia-vida T1/2 do 14C 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.


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 14C.►Assim, a proporção de 14C 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!).


NOVAMENTE O IMPORTANTECICLO DO CARBONO-14

Todo o esquema descrito

anteriormente representado

na forma de ciclo.

19

EXEMPLO: FÓSSIL DE MADEIRA

Planta viva, na antigüidade,trocando 14C com o ambiente através da Fotossíntese.

Datação dofóssil pelaatividade

do 14C:T1/2 = 5.730

anos.Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br


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 1.251 bilhões de anos!


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 14C é o fato de que ele só se aplica a amostras que contenham CARBONO (basicamente para datar seres vivos, mas que já morreram, claro!)


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 14C na atmosfera em períodos passados, devido à mudanças no campo magnético da Terra e na atividade solar;

Aumento na concentração de 14C na atmosfera após 1.950 devido a testes nucleares...PARA MINIMIZAR O ERRO, USA-SE MAIS DE UMA AMOSTRA

OU OUTRO MÉTODO DE DATAÇÃO PARA COMPARAR.

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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 14C.►Calcula-se que dos 2.1030 átomos

de 14C existentes antes foram acrescentados 6.1028 devido aos testes.

►No entanto, o acréscimo na atividade do 14C atmosférico tem contribuído para os estudos ambientais e climatológicos recentes.



Os Testes das Sete Potências Nucleares (até Junho/1998) País Arsenal

Testes realizados

Primeiro Teste Último Teste

EUA 12.0701.030 (215 na atmosfera, 815 subterrâneos)

16.07.1945 Alamogordo, Novo

México23.09.1993, Nevada

Rússia 22.500715 (207 na

atmosfera, 508 subterrâneos)

29.08.1949, em lugar não revelado

25.10.1990, Novaya Zemlya

França 500210 (50 na

atmosfera, 160 subterrâneos)

13.02.1960, Argélia27.01.1996, Atol de

Mururoa

Inglaterra 380 45 (21 na atmosfera, 24 subterrâneos)

03.10.1952, Austrália

26.11.1991, Nevada, EUA

China 450 43 (23 na atmosfera, 20 subterrâneos)

16.10.1964, Lop Nor 06.08.1996, Lop Nor

Índia 65 6 (todos subterrâneos)

18.05.1974, Pokhran, Rajasthan

5 testes entre 11 e 13.05.1998, Pokhran

Paquistão 20 5 (todos subterrâneos)

28.05.1998, Montes Chagai

http://www.energiatomica.hpg.ig.com.br/india.htm

http://www.energiatomica.hpg.ig.com.br/india.htm

http://www.energiatomica.hpg.ig.com.br/pakistan.htm

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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 1.000 a 1milhão de anos.

Polêmica interessante: pesquisadores da USP e do Piauí dataram por ressonância pinturas rupestres neste estado encontrando 35.000 anos (em 2002). Estrangeiros dataram por Carbono-14 encontrando 3.800 anos. As teorias atuais indicam que o continente Americano foi ocupado a partir de 12.000 anos atrás.

►Aminoácidos. Serve para seres vivos. Utiliza peculiaridades da Química: isomeria óptica.

►Novos métodos estão constantemente sendo desenvolvidos.

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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



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 10-15 na taxa 14C/12C, que no equilíbrio é de . Isto para se remover o

Nitrogênio-14 e o CH2,que têm praticamente a mesma massa do 14C.

Exemplo da análise deum espectômetro.

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USO DO ESPECTÔMETRO

78Kr 0.356%

80Kr 2.27%

82Kr 11.6%

83Kr 11.5%

84Kr 57.0%

86Kr 17.3%

Medida da proporção isotópica do Kriptônio através de um espectrômetrode massa.



DATAÇÕES REALIZADAS

O santuário de Stonehenge, em Wiltshire, Inglaterra, foi construído entre

3500 e 1500 a.C.

Pirâmide de Sakkara,1ª a 3ª Dinastia,

3.100 a 2.575 A.C.

Gruta de Lascaux, pinturas de até 17.000 anos.


SERRA DA CAPIVARA - PI

Importante sítio arqueológico brasileiro, com polêmicasde datações de dezenas de milhares de anos atrás,

contradizendo teorias atualmente aceitas.

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Região Norte – AM e PA

Serra da Lua (PA) e urna funerária encontrada emManaus (AM). Estudos indicam sítios

de até 9.000 anos atrás.



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 chamadaAtividade Específica (ASp)

da amostra.

3b- Multiplica-se por 3,7.1010 (Bq), por 60 para dar 1 minuto

e divide-se pela massa da amostra.


CONTINUAMOS CALCULANDO4- Já conhecemos a

Equação de Decaimento:

A = AO . e - . t

4a- Calculamos a constante do 14C: = ln 2 / T1/2 = 0,693 / 5568

5- FÓRMULADO

TEMPO

4c- Substituimos os valores na equaçãopara então podermos fazer as contas.

Agora, podemos resolverpara o tempo.

teAA .0 . te

A

A .

0

teA

A .

0

lnln tA

A.ln

0

tA

A.ln 0

tA

A

0ln

A

A

t

0ln


FINALMENTES...

5568/693,016,23,15

lnt

6- OPERANDOA

CALCULADORA7- DIGITA: 2 ln ÷ 5568

= F↔E 1,24.10-4 Anota!

410.24,116,23,15

ln

t

8- OPERANDOA

CALCULADORANOVAMENTE

9- DIGITA: 15,3 ÷ 2,16 =

ln ÷ 1,24

=

EXP +/- 4

15.788 anos!Ufa! A civilização é de cerca de

16.000 anos!


BIBLIOGRAFIA1. Radioproteção e Dosimetria – Fundamentos, Luiz Tauhata, Ivan P.A. Salati,

Renato di Prinzio e Antonieta di Prinzio, IRD – CNEN, disponível no site http://www.ird.gov.br/ em 08/08/04.

2. Laboratório de 14C. Técnicas e Aplicações em Estudos Paleoambientais. Universidade de São Paulo – USP, disponível no site http://www.cena.usp.br/ em 03/01/05.

3. Clube Araruamense de Astronomia, site http://www.caastro.hpg.ig.com.br/ em 03/01/05.

4. HyperPhysics, Georgia State University, site http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hph.html em 04/01/05.

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 http://www.comciencia.br/ em 04/01/05.

6. Radiações ionizantes para médicos, físicos e leigos, Antônio Renato Biral, Ed. Insular – pág. 166.

7. NAEQ: Núcleo de Apoio ao Ensino da Química, Departamento de Física e Química, Universidade de Caxias do Sul, site http://www.ucs.br/ em 05/01/05.

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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