“Se potessimo suddividere un pezzo di ferro in due parti, poi in due parti

ancora e così via fino a ottenere porzioni impalpabili di materia, ci

accorgeremmo a un dato punto di non poter procedere oltre.

Arriveremmo fatalmente a un limite, rappresentato dall'unità-ferro che

non si potrà mai suddividere ancora, perché ogni tipo di sostanza è

necessariamente costituita dalla somma delle sue unità elementari.”

Democrito, V sec. a.C.

Joseph John ThomsonPremio Nobel per la fisica 1906

Dallo studio dei raggi catodici Thomson comprese che l’elettrone è una particella

subatomica, la prima ad essere scoperta.

Nel 1912 realizzò il primo spettrometro di massa, lo strumento che consentiva di

determinare il rapporto tra la massa e la carica degli ioni.

La geochimica isotopica e la “rivoluzione del radiocarbonio”

Nel 1949 un gruppo di scienziati guidati da Willard Libby (premio Nobel per la Chimica nel

1960) sviluppo la tecnica per le datazioni radiometriche.

Le datazioni radiocarbonio hanno rivoluzionato lo studio della preistoria.

Prima che divenisse una tecnica accessibile, le datazioni erano basate fondamentalmente

su due tecniche: i cambi nella forma dei manufatti nel tempo e, occasionalmente, la

presenza di manufatti in contesti cronologicamente noti (ad es. il rinvenimento delle

ceramiche micenee in Egitto, in contesti datati grazie a delle iscrizioni).

Title

Abstract

Introduction

Material and Methods

Results and Discussion

References

Isotopo, dal greco ἴσος (ìsos, "stesso") e τόπος (tòpos, “luogo")

Cosa è: un atomo di uno stesso elemento chimico (medesimo numero atomico Z)

con un diverso numero di massa A > quindi con differente massa atomica

Il numero atomico (Z) è il numero di protoni contenuti in un nucleo atomico

Il numero di massa, (A) è la somma del numero di protoni e neutroni totali (nucleoni)

La differenza dei numeri di massa è dovuta ad un diverso numero di neutroni presenti

nel nucleo dell'atomo, a parità di numero atomico.

Gli isotopi sono considerati stabili (en. stable) o non stabili (en. unstable); detti anche isotopi radioattivi

Il concetto di stabilità non è netto.

Esistono infatti isotopi "quasi stabili“: cioè, pur essendo

radioattivi, hanno un tempo di dimezzamento estremamente lungo anche se confrontato con l'età della Terra di 4.5 Ga.

Teorie recenti ipotizzano che nessun isotopo è da ritenersi propriamente stabile.

Nella prima parte del corso ci occuperemo degli isotopi stabili.

Con il termine isòbari sono chiamati atomi di elementi diversi con lo stesso numero di massa (es. 14C e 14N).

Con il termine isòtoni sono chiamati atomi di elementi diversi con lo stesso numero di neutroni (es.56Fe e 58Ni hanno

entrambi 30 neutroni).

Gli isotopi di uno stesso elemento (es. 12C, 13C, 14C) hanno quasi le stesse caratteristiche chimiche.

Per questo motivo si comportano in modo quasi identico nei processi di formazione dei minerali che compongono le

rocce, nei processi biologici, nei fenomeni atmosferici etc. (eccezione notevole sono gli isotopi dell'idrogeno)

Tuttavia, le differenze di massa daranno come risultato la

parziale separazione degli isotopi leggeri da quelli pesanti

nel corso di processi chimici e fisici (es. diffusione, evaporazione).

Questo processo si chiama frazionamento isotopico (en.

isotope fractionation).

Conseguenze del frazionamento isotopico: in natura gli elementi chimici sono rappresentati da più di un isotopo, ossia

come una miscela isotopica (en. isotope mixture), la cui

composizione varia in funzione dei fenomeni idro-geochimici o biologici che hanno determinato tale miscela.

Esempio: il carbonio in natura è una miscela di tre isotopi, 12C, 13C e 14C.

Rispetto alla quantità globale di carbonio: 12C - 98,89% 13C - 1,11%, 14C – in tracce (1 atomo ogni ~ 1012 atomi di 12C; radioattivo).

English reading:

12C carbon twelve, 13C carbon thirteen, 14C carbon fourteen.

• Il frazionamento isotopico di alcuni elementi può avvenire per processi naturali

o artificiali (ad esempio durante i processi metallurgici)

� Alcune regioni, aree geografiche o singoli siti estrattivi possono o meno avere

una caratterizzazione isotopica peculiare utile ai fini di studi archeometrici

(studio di provenienza di rocce, metalli o composti chimici di origine artificiale)

� Alcuni processi naturali di frazionamento isotopico (ad esempio legati alla

temperatura o all’alimentazione delle popolazioni umane etc.) possono fornire

delle informazioni sulle condizioni paleoambientali e socio-culturali

IL FRAZIONAMENTO ISOTOPICO DELL’OSSIGENO NELL’IDROSFERA

E’ INFLUENZATO DALLA TEMPERATURA

Fisico premio Nobel per la chimica nel 1935 per la scoperta del deuterio (isotopo pesante dell’idrogeno).

Formulò ipotesi sull’origine della Terra e sullacomposizione dell’atmosfera primoridale.

Mise a punto il famoso esperimento Miller–Urey

Harold Urey (1893-1981)

“[My study of the universe] leaves little doubt that life has occurred on otherplanets. I doubt if the human race is the most intelligent form of life.”

Harold Urey (1893-1981)

IL FRAZIONAMENTO ISOTOPICO DELL’OSSIGENO NELL’IDROSFERA

E’ INFLUENZATO DALLA TEMPERATURA

Nel 1948, Urey pubblicò un lavoro fondamentale su Science in cui dimostrava che

il rapporto fra gli isotopi stabili dell’ossigeno nel carbonato di calcio dipende dalla

temperatura della soluzione acquosa entro cui tale calcite precipita.

Foraminiferi e coralli

Se la T influenza i rapporti

isotopici dell’ossigeno fra

acqua (H2O) e calcite

(CaCO3) Urey si convinse che

misurando i rapporti isotopici

nella calcite dei fossili fosse

possibile ricostruire le

temperature dell’acqua in cui

questi organismi vivevano.

SpeleotemiGli isotopi dell’ossigeno nei carbonati possono essere

usati come dei paleotermometri

Calcare

MarmoMetamorfismo crescente

La nascita della stratigrafia isotopica

Perforazioni nelle calotte polari

Data del ritrovamento: 19 settembre 1991

Località di ritrovamento: Alpi Venoste (ghiacciaio del

Similaun, 3.213 m s.l.m., al confine fra l'Italia e l'Austria).

Identità: Individuo di sesso maschile fra i 40 e i 50 anni

Periodo: 3300 e il 3100 a.C. (età del rame)

Modalità di conservazione: ibernazione

Cause probabili della morte: ferita da freccia sulla spalla

sinistra (la punta sarebbe penetrata a fondo in direzione

del cuore) e alcune ferite e abrasioni (tra cui un taglio in

particolare sul palmo della mano destra)

“Sarà un guerriero di non più di 500 anni, che fosse un guerriero lo si può dedurre dalle

ferite sulla schiena” R. Messner

Dopo una settimana dal ritrovamento, Konrad Splindler, archeologo (cattedra di

preistoria e protostoria Universität Innsbruck)

Esamina il corpo e dichiara: “questo corpo ha almeno 5000 anni…)

Ascia di rame.

Manico di legno di tasso piegato a gomito,

mastice di resina di betulla e strisce di pelle

per assicurare l’ascia al manico.

The neutron diffraction study clearly indicates that the Iceman blade was produced by

casting copper in a bivalve mold, it never underwent mechanical hardening, and it was

repeatedly used in the soft state, as testified by the non invasive texture analysis of the

cutting edge

“Tutta la palpebra intorno e le ciglia gli arse la vampa della pupilla bruciata:

crepitavano nel fuoco le radici, come quando un fabbro grande scure o ascia in

acqua fredda immerge per temprarla e quella manda fuori un grande sibilo:

questa è appunto la forza del ferro; così strideva l’occhio del mostro intorno al

palo d’ulivo.” (Odissea IX, vv.371-394)

The metal microsamples were obtained from the crack defects already existing in the

talon of the axe. The micro-fragments were cut under an optical binocular microscope

(50X) using a micro-tool equipped with a steel blade. The manual operation using a

fine blade was preferred over drilling to ensure better control on the sampling position

and on the amount of extracted metal, and to avoid changes in the microstructure of

the fragments subsequently used for metallographic analyses. Three fragments of

copper were detached, amounting to a total weight of 6.7 mg. The largest fragment

was used for the measurement of the lead isotope ratios by multi-collector plasma

source mass spectrometry. One smaller fragment was used for the chemical analysis

by quadrupole plasma source mass spectrometry. The third micro-fragment was

embedded in epoxy resin, polished, and used for metallography and electron

microscopy.

A small sample was completely dissolved in a 1:1 solution of nitric acid and

hydrochloric acid and analysed by inductively coupled plasma mass

spectrometry (ICP-MS). All reagents were of analytical grade and were purified

by redistillation before use

Agilent Technologies 7700× ICP-MS

Backscattered electron images of the cuprite inclusion (dark grey) surrounded by a

lighter rim rich in As (30.7%) and Bi (20.3%); (b) white segregation rich in As

(11.8%),Se (9.5%),Bi (4.2%), and Pb (13.2%). Both inclusions are about 5 μm

across; (c) reflected-light optical micrograph. The total length of the fragment is 870

μm.

The chemical analysis showed a Pb concentration sufficient for the measurement of the

lead isotope ratios by multi-collector mass spectrometry.

The lead isotope data measured on the Iceman axe microsample were interpreted by

the use of an extensive dataset encompassing most of the known Alpine copper

deposits that were sampled and measured in the frame of the ongoing Alpine

Archaeocopper Project

ANALISI MORFOLOGICA E TIPOLOGICA DEL MANUFATTO

The presence of active copper metallurgy in Central Italy during the second half

of the fourth millennium BC and the Tuscan origin of the Iceman copper seem to

support the recent re-evaluation of the whole metallurgy related to the so-called

Rinaldone culture.

However, recent reassessment of the archaeological evidence based on

radiocarbon measurements indicates the backdating of the Rinaldone culture to

the fourth millennium BC.

The Austrian copper sources in Tyrol and Salzburg (such as Schwaz and Mitterberg)

evidently came to be exploited at later times.

The observed patterns indicate that the Alps in the early Copper Age were more a

barrier than a link, at least as far as the metal trades are concerned.

These results may indeed induce a revision of the long held assumptions about the

early diffusion of Balkanic copper into Italy: the Iceman axe blade is indeed shining of

a new light.