Física (plan 2002) 2023-1

Noveno Semestre, Laboratorio de Física Contemporánea II

I TÍTULO

DATACIÓN DE MUESTRAS ORGÁNICAS CON 14C POR ESPECTROMETRÍA DE MASAS CON ACELERADORES

II OBJETIVOS

1.- Exponer a los alumnos de la licenciatura en Física, al trabajo realizado en el Laboratorio de Espectrometría de Masas con Aceleradores (EMA), y a las aplicaciones interdisciplinarias que ahí se realizan.

2.- Que los estudiantes aprendan la técnica de fechamiento con radiocarbono por espectrometría de masas con Aceleradores de muestras orgánicas, mediante un entrenamiento práctico en donde comprendan el funcionamiento y los principios físicos involucrados en los equipos utilizados, así como los métodos de acondicionamiento, preparación y análisis de muestras.

3.- Conocer los principios físicos de la instrumentación del sistema EMA: fuente de iones, deflectores electrostáticos, analizador magnético, detectores, acelerador de partículas y óptica de iones.

4.- Estudio teórico y aplicación a un caso práctico, del concepto del decaimiento radiactivo para la determinación de edades de muestras orgánicas.

5.- Realizar el análisis de los datos que arroja el separador isotópico, calibrar la edad radiocarbono y elaborar el reporte de datación de las muestras orgánicas.

III INTRODUCCIÓN

La radiación cósmica que impacta la atmosfera y superficie de la Tierra es capaz de transmutar el núcleo de algunos elementos. El análisis de estos núcleos, que por su origen se conocen como isotopos cosmogénicos (³H, ^10Be, ¹⁴C, ²⁶Al, entre muchos otros), ha dado origen a diversas técnicas de fechamiento y geocronología.

El radiocarbono o ¹⁴C es generado cuando neutrones provenientes de los rayos cósmicos son capturados por núcleos del nitrógeno presente en la atmosfera terrestre. Esta interacción produce el isótopo radiactivo ¹⁴C, que al combinarse con el oxígeno forma ¹⁴CO₂ que entra al ciclo del carbono. Así, las plantas lo incorporan a sus estructuras por medio de la fotosíntesis, y luego entra a los animales por medio de la alimentación. Los organismos vivos mantienen una proporción de ¹⁴C/12C similar a la de la atmosfera, pero al morir, dejan de incorporar ¹⁴C rompiendo ese equilibrio. Es así́ que la concentración de radiocarbono en los restos del organismo comienza a decrecer conforme se va transformando en ¹⁴N por decaimiento radiactivo con una vida media de 5,730 años.

El uso de radiocarbono para el fechamiento de muestras fue propuesto por Williard F. Libby y colaboradores en 1946. Libby demostró que el tiempo transcurrido desde la muerte de un organismo podría ser determinado midiendo la actividad del ¹⁴C en los restos del organismo. Los trabajos de Libby se realizaron contando los decaimientos de radiocarbono en muestras de varios gramos de carbono negro obtenido de objetos cuyas edades eran conocidas. Ellos utilizaron contadores de gas proporcional y de centelleo líquido.

Estos métodos, están basados en el conteo de la descomposición de los átomos de radiocarbono. Cuando un átomo de ¹⁴C decae, emite una partícula beta, que puede ser detectada en un gas por el impulso eléctrico que genera. En el contador de centelleo líquido, las partículas beta excitan la emisión de luz en moléculas orgánicas centelleantes como el benceno. Debido a que en un gramo de carbono se producen alrededor de 13.5 desintegraciones por minuto, para realizar mediciones precisas, estas técnicas también requieren de muestras cuyo contenido de carbono sea de varios gramos.

Con el paso del tiempo y el desarrollo de nueva tecnología, la limitante de las técnicas de fechamiento derivadas del método desarrollado por Libby, ha sido superada: la medición directa del número de átomos de ¹⁴C en una muestra, mejora la sensibilidad del fechamiento.

Los primeros intentos de realizar mediciones directas del número de átomos de ¹⁴C utilizando espectrometría de masas convencional fallaron. En 1977 fueron desarrollados los primeros equipos acoplados de acelerador de partículas y espectrómetro de masas que permitieron realizar esta separación con gran precisión utilizando técnicas nucleares de análisis.

La espectrometría de masas con aceleradores o AMS (Accelerator Mass Spectrometry) mejora la sensibilidad de las mediciones, gracias a la aceleración de los átomos de carbono de las muestras en forma de iones a altas energías mediante un acelerador de partículas. El acelerador se encuentra acoplado a equipos de espectrometría de masas, que separan los diferentes isotopos de carbono (¹²C ¹³C y ¹⁴C) y a instrumentos para la detección de partículas nucleares que cuantifican los átomos de interés, en este caso ¹⁴C.

Es así́ que mediante AMS es posible medir el contenido de ¹⁴C en decenas de muestras en periodos de tiempo menores a los necesarios para realizar una sola determinación por métodos radiométricos. Además, el tamaño de muestras necesario se reduce desde mil hasta diez mil veces, por lo que la toma de muestras de objetos únicos (muestras lunares, sedimentos marinos, objetos arqueológicos, etc.) se considera no destructiva.

La manipulación de muestras tan pequeñas y el uso de una técnica tan sensible requiere de métodos de preparación muy cuidadosos y que deben realizarse con limpieza extrema debido a que las muestras o se encuentran en una matriz que contiene diversos elementos, además del carbono, o bien son susceptibles de contaminarse con carbono fósil o moderno que provoca corrimientos en la determinación de la edad de materiales a estudiar. Además, la naturaleza tan diversa de las muestras y las matrices en las que se encuentran muchas veces requiere del diseño de procesos y técnicas de preparación ad hoc. También debe considerarse que muchas de las muestras a analizar son únicas. Por lo que una parte importante del fechamiento de materiales corresponde a la preparación de las muestras.

El Instituto de Física de la UNAM (IFUNAM) con el apoyo de CONACyT y la UNAM inauguró en julio de 2013 el Laboratorio Nacional de Espectrometría de Masas con Aceleradores (LEMA), primer laboratorio en Latinoamérica en disponer de esta técnica de análisis. En el LEMA es posible analizar muestras geológicas, ambientales, de arte y arqueológicas con el fin de determinar el contenido de isotopos cosmogénicos tales como el ¹⁴C ¹⁰Be, ¹⁴C, ²⁶Al y radioisótopos pesados como ¹²⁹I y Pu.

En esta práctica se propone realizar la limpieza química y preparación de una muestra orgánica, con el objetivo de medir su concentración de ¹⁴C por medio de espectrometría de masas con aceleradores, para determinar su edad.

IV METODOLOGÍA Y RESUMEN DEL DESARROLLO

1.- Selección de una muestra orgánica para fechar por ¹⁴C.

2.- Observación de la muestra en el microscopio óptico para detectar y eliminar contaminantes mayores

3.- Limpieza física de la muestra con sistema de ultrasonido

4.- Limpieza química de la muestra y extracción, según sea el caso de: colágeno de huesos, celulosa de madera y fibras vegetales, ácidos húmicos en sedimentos, y limpieza de otros materiales como carbón, copal, hule natural, etc.

5.- Pesaje de la muestra en microbalanza, de acuerdo al rendimiento según el tipo de material que se está tratando.

6.- Combustión de la muestra en el equipo automatizado de grafitización AGE, para convertirla en grafito para su posterior análisis por EMA.

7.- Prensado de la muestra en un cátodo de aluminio e introducción en el carrusel del acelerador de partículas, acoplado a un espectrómetro de masas.

8.- Análisis por Espectrometría de masas con Aceleradores.

9.- Análisis de los datos que arroja el separador isotópico y los cocientes 14C/12C y 13C/12C, para obtener la edad radiocarbono.

10.- Calibración de la edad radiocarbono con el programa Oxcal para obtener la edad calendario aC-dC y elaboración de reporte de la práctica.

Los estudiantes estudiarán la parte teórica correspondiente a cada etapa del desarrollo de la práctica para comprender los conceptos físicos detrás del funcionamiento de los equipos que van a utilizar.

1. Formación de isótopos cosmogénicos.
2. Decaimiento radiactivo.
3. Sistema de grafitización automatizado.
4. Equipo Tandetrón de High Voltage Europe Engineering (HVEE), con un acelerador de 1 MV de energía: fuente de iones, deflectores electrostáticos, analizador magnético, detectores y óptica de iones.
5. Análisis y estadística de datos.

Los estudiantes realizarán un ejercicio de datación de muestra orgánica con ¹⁴C por AMS.

1.- Estudio del sistema de Espectrometría de masas con aceleradores (EMA) y sus aplicaciones en diversas disciplinas, como Física, Ciencias de la Tierra y Arqueología.

2.- Estudio del decaimiento radiactivo en el caso de ¹⁴C

2.- Estudio de la instrumentación del sistema AMS: acelerador de partículas, fuente de iones, deflectores electrostáticos, analizador magnético, detectores, óptica de iones.

3.- Preparación de muestras orgánicas para su datación con ¹⁴C: extracción de colágeno de huesos, celulosa de madera y fibras vegetales, ácidos húmicos de suelos y sedimentos, y limpieza química de carbón.

4.- Realización del proceso de grafitización de muestras orgánicas, para la producción de grafito, para su posterior datación en el sistema EMA.

5.- Análisis de los datos que arroja el separador isotópico, para obtener la edad radiocarbono.

6.- Estudio de las curvas de calibración de edades radiocarbono y su aplicación en las edades obtenidas en las muestras analizadas, para obtener edades de calendario (A. C. – D. C.)

7.- Elaboración de reportes de datación.

V LISTA DE MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR

Se les solicitará a los estudiantes, aportar una muestra orgánica de su propiedad (madera, textil, carbón, etc), cuya edad estén interesados en conocer. En caso de que no aporten alguna muestra, se les proporcionará alguna en el laboratorio, procedente de algún contexto conocido.

Los reactivos utilizados para la limpieza y preparación de las muestras son:

• HCl: ácido clorhídrico
• NaOH: hidróxido de sodio
• NaClO2: clorito de sodio
• KOH: hidróxido de potasio
• Agua destilada
• Agua desionizada
• Alcohol

Materiales:

• Tubos para preparación de muestras.
• Tubos de cultivo de vidrio
• Filtros.
• Material de vidrio (vaso de precipitados, probeta, matraz, vidrio de reloj, agitador)
• Pipeta
• Espátula
• Papel aluminio
• Cátodos de cobre
• Crisoles de estaño

Equipo:

• Centrífuga
• Microscopio óptico
• Termoblock
• Estufa
• Sistema purificador de agua
• Limpiador ultrasónico
• Micro balanza analítica
• Liofilizadora
• Analizador elemental VARIO
• Equipo de Grafitización Automatizado AGEIII marca Ion Plus
• equipo Tandetrón de High Voltage Europe Engineering (HVEE), con un acelerador de 1 MV de energía.

Todos los materiales y equipos serán proporcionados por el LEMA.

VI BIBLIOGRAFÍA

1. Aragón Navarro J. 2014. Determinación de la medida de 14-C. Tesis. Licenciatura en Física. Facultad de Ciencias, Universidad Nacional Autónoma de México.
2. Bennett C. L., Beukens R. P., Clover M. R., Gove, H. E., Liebert R. B., Litherland A., Purser K. H., y Sondheim W. E. 1977. Radiocarbon dating using electrostatic accelerators: negative ions provide the key. Science, 198(4316):508. 510.
3. Brown T., Reimer P., y Reimer R. 2004. Discussion: Reporting and calibration of post-bomb 14C data. Radiocarbon, 46(3):1299{1304.
4. Budzikiewicz H. y Grigsby R. D. 2006. Mass spectrometry and isotopes: a century of research and discussion. Mass spectrometry reviews, 25(1):146{157.
5. Hajdas, I. (2008). Radiocarbon dating and its applications in Quaternary studies. Eiszeitalter und Gegenwart Quaternary Science Journal, 57(2), 24.
6. Lara Lima Octavio Alonso. 2016. Enseñanza de La técnica de datación con radiocarbono por espectrometría de masas con aceleradores: material didáctico y libro de apoyo. Tesis Licenciatura en Física. Facultad de Ciencias. UNAM.
7. Levin I. y Kromer B. 2006. Twenty years of atmospheric 14co2 observations at schauinsland station, germany. Radiocarbon, 39(2). ISSN 0033-8222. URL https://journals. uair.arizona.edu/index.php/radiocarbon/article/view/1942.
8. Libby W. F., Anderson E. C., y Arnold J. R. 1949. Age determination by radiocarbon content: world-wide assay of natural radiocarbon. Science, 109(2827):227{228.
9. Mook WG y Waterbolk HT. 1985. Radiocarbon dating, handbooks for archaeologists, 3. Strasbourg: European Science Foundation.
10. Royal Ervin Taylor. 1977. Radiocarbon dating: an archaeological perspective. In Archaeological chemistry II. Based on a symposium sponsored by the division of the history of chemistry at the 174th meeting of the American Chemical Society, Chicago, August 31-Sept. 1. pages 33–69. American chemical society, 1978.
11. Sheridan Bowman. 1990. Interpreting the past: radiocarbon dating. British Museum Publications.
12. Tuniz C. 2001. Accelerator mass spectrometry: ultra-sensitive analysis for global science. Radiation Physics and Chemistry 61 (2001) 317–322.
13. Zugasti Fernández Dulce Angélica. 2017. Validación de la técnica de medición de radiocarbono en el Laboratorio Nacional de Espectrometría de Masas con Aceleradores. (LEMA) por medio del material estándar internacional y su aplicación en Arqueología. Tesis Licenciatura en Física. Facultad de Ciencias. UNAM.

VII ASIGNATURA Y ÁREA EN LA QUE SE INSERTA

2. MEDICIÓN DE EFECTOS CUÁNTICOS

2.9 Decaimiento radioactivo

VIII LUGAR EN DONDE SE DESARROLLARÁ (ENTIDAD ACADÉMICA Y LABORATORIO O TALLER)

Instituto de Física. Laboratorio de Espectrometría de Masas con Aceleradores (LEMA).

IX NÚMERO DE ESTUDIANTES QUE PUEDEN REALIZARLA SIMULTÁNEAMENTE

Tres

DESCRIPCIÓN DE LAS HABILIDADES Y CONOCIMIENTOS QUE ADQUIRIRÁN LOS ESTUDIANTES CON SU DESARROLLO

1.- Estudio del sistema de Espectrometría de masas con aceleradores (EMA) y sus aplicaciones en diversas disciplinas, como Física, Ciencias de la Tierra y Arqueología.

2.- Estudio del decaimiento radiactivo en el caso de 14C

2.- Estudio de la instrumentación del sistema AMS: acelerador de partículas, fuente de iones, deflectores electrostáticos, analizador magnético, detectores, óptica de iones.

3.- Preparación de muestras orgánicas para su datación con 14C: extracción de colágeno de huesos o celulosa de madera y fibras vegetales o ácidos húmicos de suelos y sedimentos, o limpieza química de carbón.

4.- Realización del proceso de grafitización de muestras orgánicas, para la producción de grafito, para su posterior datación en el sistema EMA.

5.- Análisis de los datos que arroja el separador isotópico, para obtener la edad radiocarbono.

6.- Estudio de las curvas de calibración de edades radiocarbono y su aplicación en las edades obtenidas en las muestras analizadas, para obtener edades de calendario (A. C. – D. C.)

7.- Elaboración de un reporte de datación.

EVALUACIÓN

Asistencia al laboratorio y bitácora del desarrollo de la práctica: 20%

Presentación oral: 40%

Reporte de práctica: 40%